《安全启动验证方法实操课程》
第2章 密码学基础（一）
2. 密码学基础（一）：对称加密与非对称加密、哈希函数（SHA-256）的原理与作用
🔐 第一节：对称加密 —— 一把钥匙开一把锁
对称加密 是密码学中最直观的加密方式：加密和解密使用同一把密钥。就像你用一把钥匙锁上日记本，再用同一把钥匙打开它。
✅ 优点
- 加解密速度极快（硬件加速可达 GB/s 级别）
- 适合大量数据加密（如磁盘、文件、通信流）
- 算法成熟（AES、SM4、ChaCha20）
⚠️ 缺点
- 密钥分发困难 —— 如何安全地把密钥交给对方？
- 密钥管理复杂 —— n 个人通信需要 n(n-1)/2 个密钥
- 无法提供数字签名 / 抗抵赖性
▲ 对称加密流程：加密和解密使用完全相同的密钥
🔑 第二节：非对称加密 —— 公钥与私钥的默契
非对称加密 使用一对密钥：公钥 (Public Key) 公开分发，私钥 (Private Key) 秘密保存。公钥加密的数据只能用私钥解密；私钥签名的数据只能用公钥验证。
▲ 非对称加密：公钥加密，私钥解密，密钥对天生一对
🧮 第三节：哈希函数（SHA-256）—— 数据的数字指纹
哈希函数 将任意长度的数据映射为固定长度的摘要（Digest）。SHA-256 输出 256 位（32 字节）的哈希值，具有以下核心性质：
- 单向性：从哈希值无法反推出原始数据
- 抗碰撞性：极难找到两个不同输入产生相同哈希值
- 雪崩效应：输入改变 1 比特，输出约 50% 的比特发生变化
- 固定长度：无论输入是 1 字节还是 1GB，输出始终 32 字节
🔍 在安全启动中的应用
固件镜像的 SHA-256 哈希值被签名并存储在安全区域。启动时，BootROM 重新计算镜像哈希，与签名中的哈希比对。若不一致，说明镜像被篡改，立即拒绝启动。
▲ SHA-256 哈希函数：任意输入 → 固定 256 位输出，雪崩效应保证安全性
⚙️ 第四节：三者在安全启动中的协同工作
在嵌入式安全启动中，三种密码学原语各司其职，形成完整的信任链：
- 哈希函数 (SHA-256)：计算固件镜像的摘要，作为“数字指纹”
- 非对称加密 (RSA/ECC)：用私钥对哈希值签名，公钥验证签名真实性
- 对称加密 (AES)：可选地对固件镜像进行加密存储，防止静态分析
▲ 安全启动信任链：哈希 → 签名 → 验证 → 启动决策
💻 实操代码片段：使用 OpenSSL 计算 SHA-256
以下命令演示如何在嵌入式开发环境中计算固件文件的 SHA-256 哈希值：
# 计算固件镜像的 SHA-256 哈希
$ openssl dgst -sha256 firmware.bin
SHA256(firmware.bin)= a1b2c3d4e5f67890abcdef1234567890abcdef1234567890abcdef1234567890
# 使用私钥对哈希值签名（PKCS#1 v1.5）
$ openssl dgst -sha256 -sign private_key.pem -out firmware.sig firmware.bin
# 使用公钥验证签名
$ openssl dgst -sha256 -verify public_key.pem -signature firmware.sig firmware.bin
Verified OK📌 关键理解：安全启动中，BootROM 内置公钥，验证签名通过后才执行固件。哈希函数保证了固件的完整性，非对称签名保证了固件的真实性和抗抵赖性。