4. 密码学基础：对称加密与非对称加密、哈希函数、数字签名在物联网中的应用

在物联网（IoT）环境中，数以亿计的传感器、执行器、网关和云平台之间需要安全地交换数据。密码学是保障物联网通信机密性、完整性、身份认证和不可否认性的基石。本章将深入剖析对称加密、非对称加密、哈希函数与数字签名四大核心密码学原语，并结合物联网资源受限、海量连接、异构网络等特性，讲解其实际部署策略。

4.1 对称加密：轻量级、高性能的机密性保障

核心思想：通信双方使用同一个密钥进行加密和解密。在物联网中，对称加密常用于传感器节点与网关之间的数据链路层加密，因其计算开销小、吞吐量高，非常适合资源受限的MCU（微控制器）。

常用算法对比

算法	密钥长度	分组大小	IoT适用性
AES-128	128 bit	128 bit	✅ 硬件加速，极低功耗
AES-256	256 bit	128 bit	⚠️ 安全等级高，计算稍重
ChaCha20	256 bit	流加密	✅ 无硬件加速时性能优异

物联网部署模式：CCM / GCM 认证加密

在IoT中，单纯加密是不够的，必须同时保证完整性。推荐使用 AES-CCM 或 AES-GCM 模式，它们将加密与MAC（消息认证码）结合，一次操作同时提供机密性和完整性校验。

📌 实战建议： 对于Zigbee、BLE Mesh等低功耗网络，默认使用AES-CCM*（CCM的变体）。对于Wi-Fi类IoT设备，优先选择AES-GCM，支持硬件加速且性能更优。

图4-1 对称加密在传感器-网关通信中的应用

4.2 非对称加密：密钥分发与身份认证的基石

核心思想：使用一对密钥——公钥（公开）和私钥（秘密）。公钥加密的数据只能用对应的私钥解密，反之亦然。在物联网中，非对称加密主要用于安全密钥协商（如TLS握手）和数字签名，但计算开销较大，通常仅用于网关或云侧。

主流算法对比

算法	密钥长度	性能特征	IoT场景
RSA-2048	2048 bit	加密慢，签名验证较快	网关证书、固件签名
ECC P-256	256 bit	同等安全下密钥更短，速度快	✅ 物联网首选
Curve25519	256 bit	侧信道攻击防护强，极快	✅ 新兴IoT标准

🔑 密钥分发策略： 在IoT中，通常采用混合加密：使用非对称加密（如ECC）安全交换对称密钥（如AES密钥），后续通信使用对称加密。这既解决了密钥分发难题，又保证了高性能。

图4-2 基于ECC的混合加密密钥交换流程

4.3 哈希函数：数据完整性校验的指纹

核心思想：哈希函数将任意长度的输入数据映射为固定长度的输出（摘要/哈希值）。它具有单向性（不可逆）和抗碰撞性（难以找到两个不同输入产生相同输出）。在物联网中，哈希函数用于固件完整性校验、消息完整性验证以及密码存储。

IoT常用哈希算法

SHA-256 — 最广泛使用的哈希算法，输出256位。用于TLS、固件签名验证。在ESP32、STM32等芯片上通常有硬件加速。
SHA-3 — 新一代标准，抗量子攻击潜力更好，但IoT硬件支持尚在普及中。
BLAKE2s — 针对8/16位MCU优化的轻量级哈希，速度比SHA-256快，安全性相当。

⚠️ 安全警告： 严禁在IoT中使用MD5或SHA-1！它们已被证明存在碰撞攻击，攻击者可伪造固件或消息。所有新设计必须使用SHA-256或更高强度算法。

图4-3 使用SHA-256验证固件完整性

4.4 数字签名：身份认证与不可否认性

核心思想：数字签名结合了哈希函数和非对称加密。发送方使用自己的私钥对消息的哈希值进行签名，接收方使用发送方的公钥验证签名。这提供了身份认证（确认发送方身份）、完整性（消息未被篡改）和不可否认性（发送方无法抵赖）。

物联网中的典型应用

场景	签名者	验证者	算法推荐
固件空中升级(OTA)	厂商签名服务器	IoT设备	ECDSA P-256
设备身份认证	IoT设备	云平台/网关	Ed25519
安全日志审计	网关	审计服务器	RSA-2048 / ECDSA

🛡️ 实战要点： 在IoT设备上执行签名验证时，务必使用恒定时间比较函数来比对签名，防止时序攻击。同时，公钥应硬编码在设备的安全存储区（如eFuse或TPM），不可被用户修改。

图4-4 数字签名生成与验证流程

4.5 物联网密码学综合架构图

下图展示了一个典型的物联网安全通信架构，融合了对称加密、非对称加密、哈希函数和数字签名四种密码学原语，覆盖从传感器到云端的全链路安全。

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