4、SM2数字签名：签名与验签流程、TEE内签名保护机制、防重放攻击设计

数字签名是密码学里最常用的功能之一。SM2 签名算法，说白了就是「用私钥签名，用公钥验签」。但在 TEE 里做签名，跟普通 App 里调个接口完全是两码事。我最早接触 TEE 签名时，以为只是把私钥放进去就行，结果踩了不少坑——嗯，今天我把这些经验都揉进这一章里。

4.1 SM2 签名与验签流程

先回顾一下标准流程。SM2 签名算法基于椭圆曲线，签名结果是两个大整数 (r, s)。验签时用公钥恢复出 r'，跟签名里的 r 比对。

4.1.1 签名流程

1. 预处理：计算 Z 值（用户标识 + 公钥的杂凑值），拼接消息 M 得到 M' = Z || M。
2. 杂凑：对 M' 做 SM3 杂凑，得到 e。
3. 生成随机数：产生随机数 k ∈ [1, n-1]。
4. 计算椭圆曲线点：(x1, y1) = [k]G。
5. 计算 r：r = (e + x1) mod n。若 r=0 或 r+k=n，回到步骤 3。
6. 计算 s：s = ((1 + dA)^(-1) * (k - r * dA)) mod n。若 s=0，回到步骤 3。
7. 输出签名：(r, s)。

4.1.2 验签流程

1. 预处理：同样计算 Z 值，拼接消息 M 得到 M'。
2. 杂凑：得到 e'。
3. 检查 r, s：是否在 [1, n-1] 内。
4. 计算 t：t = (r + s) mod n。若 t=0，验签失败。
5. 计算椭圆曲线点：(x1', y1') = [s]G + [t]PA。
6. 计算 R：R = (e' + x1') mod n。
7. 比较：若 R == r，验签通过；否则失败。

4.2 TEE 内签名保护机制

在 TEE 里做签名，核心目标只有一个：私钥不出 TEE。所有签名运算都在安全世界完成，REE 只能拿到签名结果。

4.2.1 私钥隔离

• 硬件隔离：私钥存储在 TEE 内部的安全存储区，REE 无法直接访问。
• 密钥派生：我建议用设备根密钥派生签名密钥，这样即使 TEE 存储被物理攻击，根密钥也能保护派生密钥。
• 会话密钥：每次签名会话使用临时会话密钥加密传输数据，防止侧信道攻击。

4.2.2 签名流程在 TEE 内的实现

// 伪代码：TEE 内 SM2 签名
int tee_sm2_sign(uint8_t *msg, uint32_t msg_len, uint8_t *sig_out) {
    // 1. 验证调用者身份（REE 侧 TA 的 UUID）
    if (!verify_caller_identity()) return TEE_ERROR_ACCESS_DENIED;
    
    // 2. 从安全存储加载私钥
    sm2_private_key_t priv_key;
    if (secure_storage_read("sm2_priv", &priv_key) != TEE_SUCCESS) {
        return TEE_ERROR_STORAGE_FAILURE;
    }
    
    // 3. 生成真随机数（硬件 TRNG）
    uint8_t rand_buf[32];
    tee_trng_get_random(rand_buf, 32);
    
    // 4. 执行 SM2 签名（全部在 TEE 内完成）
    sm2_sign(msg, msg_len, &priv_key, rand_buf, sig_out);
    
    // 5. 清除敏感数据
    memset(&priv_key, 0, sizeof(priv_key));
    memset(rand_buf, 0, sizeof(rand_buf));
    
    return TEE_SUCCESS;
}

4.2.3 防侧信道攻击

攻击类型	防护措施	说明
时序攻击	常数时间实现	所有分支执行时间相同，不依赖数据
功耗分析	随机掩码	每次运算加入随机掩码，掩盖功耗特征
故障注入	双重计算 + 校验	签名计算两次，结果一致才输出
缓存侧信道	TEE 独占缓存行	签名过程不使用共享缓存

4.3 防重放攻击设计

签名本身不防重放。你想想看，攻击者截获一个合法签名 (r, s)，然后不断重放给验签方，验签方每次都通过——这就是重放攻击。

4.3.1 常见防重放方案

• 时间戳：签名时嵌入当前时间戳，验签时检查时间差是否在允许范围内。
• 随机数挑战：验签方先发送一个随机数 nonce，签名方将 nonce 纳入签名消息。
• 序列号：维护单调递增的序列号，验签方记录已使用的序列号。

4.3.2 TEE 内的防重放设计

在 TEE 里，我推荐用「单调计数器 + 消息绑定」的组合方案。TEE 硬件通常提供单调计数器，只能递增不能回退。

// 伪代码：TEE 内防重放签名
int tee_anti_replay_sign(uint8_t *msg, uint32_t msg_len, 
                         uint8_t *nonce, uint32_t nonce_len,
                         uint8_t *sig_out) {
    // 1. 读取单调计数器当前值
    uint32_t counter;
    tee_monotonic_counter_read(&counter);
    
    // 2. 构造签名消息：msg || nonce || counter
    uint8_t *signed_data = malloc(msg_len + nonce_len + 4);
    memcpy(signed_data, msg, msg_len);
    memcpy(signed_data + msg_len, nonce, nonce_len);
    memcpy(signed_data + msg_len + nonce_len, &counter, 4);
    
    // 3. 执行签名
    int ret = tee_sm2_sign(signed_data, msg_len + nonce_len + 4, sig_out);
    
    // 4. 递增计数器（原子操作）
    tee_monotonic_counter_increment();
    
    free(signed_data);
    return ret;
}

4.3.3 验签方的防重放检查

1. 从签名消息中提取 nonce 和 counter。
2. 检查 nonce 是否在有效期内（通常用时间戳判断）。
3. 检查 counter 是否大于已记录的最大值。
4. 更新已记录的最大 counter 值。
5. 执行标准 SM2 验签。

4.4 整体流程框架

下面这张图把签名、验签、TEE 保护、防重放串在一起。你一看就明白。

4.5 避坑指南