3. 密钥生成在受限设备上的实现

在低功耗 MCU 上生成密钥，难点并不在“调用一个随机数函数”，而在于：芯片是否真的具备不可预测的熵源、熵源在宽温与低压下是否仍然可用、种子如何被安全保存，以及最终产物能否满足合规与认证要求。本节围绕 TRNG 与 PRNG 的设计约束、熵源质量评估、种子管理和一个基于硬件熵源的密钥生成实战任务展开。

TRNG 与 PRNG 在 MCU 上的分工

真随机数发生器（TRNG）从物理噪声中提取熵，常见熵源包括环形振荡器抖动、RC 充放电噪声、热噪声放大器和亚稳态触发器。它的输出不可复现，但速率低、功耗高、易受温度与电压影响，且往往需要后处理（如 Von Neumann 去偏、SHA-256 条件化）才能得到接近均匀的比特流。伪随机数发生器（PRNG）则是确定性算法，如 CTR_DRBG（AES-128）、HMAC_DRBG 或 ChaCha20，速率高、可复现，但安全性完全依赖种子熵与内部状态保密。

因此工程上的正确做法是：TRNG 只负责产生种子，PRNG 负责扩展密钥流。MCU 上电后先采集 TRNG 熵，条件化后作为 DRBG 的种子，再由 DRBG 输出 AES 密钥、ECC 私钥或会话密钥。这样既避免长期占用高功耗熵源，又保证密钥质量。

受限设备密钥生成：熵源 → 条件化 → DRBG → 密钥 物理熵源 环形振荡器抖动 RC 充放电噪声 亚稳态触发器 速率低 / 功耗高 条件化与去偏 Von Neumann 去偏 SHA-256 条件化 健康测试（H/T） 输出接近均匀 DRBG 扩展 CTR_DRBG (AES-128) HMAC_DRBG ChaCha20 速率高 / 可复现 密钥产物 AES-128 会话密钥 ECC P-256 私钥 HMAC 根密钥 写入 Key Store 种子管理：加密存储 + 完整性保护 AES-GCM 封装种子 / 单调计数器防回滚 / 掉电保持 设计约束 功耗 / 面积 / 温度 合规要求 NIST SP 800-90A/B TRNG 提供不可预测种子，DRBG 负责高速扩展；种子必须加密存储并防回滚 示例参数：TRNG 采集 256 bit 原始熵 → SHA-256 条件化 → 128 bit 种子 → CTR_DRBG 输出 128 bit AES 密钥

熵源质量评估：不能只看“有没有”

评估熵源质量，核心指标是最小熵（min-entropy），而不是香农熵。最小熵按最可能出现的取值计算，直接决定种子强度。工程上常用 NIST SP 800-90B 的评估方法：对原始比特流做 IID 检验，若通过则用频率估计最小熵；若不通过，则用非 IID 估计器（如 Markov、压缩、碰撞、最长重复子串等）取最小值。

一个典型教学示例：某 MCU 的环形振荡器在 25°C、3.3V 下采集 4096 bit 原始输出，经频率测试得到 P(1)=0.51，则单比特最小熵约为 -log2(0.51)≈0.971 bit，4096 bit 总最小熵约 3977 bit。但若在 -40°C 或 1.8V 下 P(1) 漂移到 0.65，单比特最小熵降至约 0.622 bit，总熵仅约 2548 bit。这说明熵源必须做全温区、全电压域评估，并保留足够裕量。若评估不通过，应增加采集量、启用多源 XOR 混合，或改用外部安全芯片。

种子管理与合规要求

种子是 DRBG 的“根”，一旦泄露或可预测，后续所有密钥都不安全。种子管理要满足三点：

  • 加密存储：种子写入非易失存储前用设备唯一密钥（如 PUF 派生密钥）做 AES-GCM 封装，防止读出。
  • 完整性保护：GCM 标签或 HMAC 校验种子未被篡改；配合单调计数器防止回滚到旧种子。
  • 生命周期更新：每次上电重新采集 TRNG 熵并 reseed；长期运行设备应设置最大输出次数或时间间隔强制重播种。

合规方面，NIST SP 800-90A 规定 DRBG 的种子长度、reseed 间隔和预测抵抗要求；SP 800-90B 规定熵源评估与健康测试；FIPS 140-3 则要求 TRNG 具备上电自检、连续健康测试和故障响应。对受限设备而言，还要关注 AIS-31 或国密随机数检测规范中的适用条款。

注意：不要把 TRNG 原始输出直接当密钥使用。原始比特流通常存在偏置和相关性，必须经过条件化与健康测试，否则最小熵远低于名义位数。

实战任务：基于硬件熵源生成 AES-128 密钥

下面以一款带硬件 TRNG 的低功耗 MCU（示例型号以“MCU-X”代称）为例，完成一次密钥生成。目标：采集 256 bit 原始熵，条件化后得到 128 bit 种子，经 CTR_DRBG 输出 128 bit AES 密钥，并加密存入 Key Store。

第一步，配置 TRNG。使能环形振荡器熵源，设置采样时钟为 1 MHz，采集 256 bit 原始数据。代码示意如下：

// 示例：MCU-X TRNG 采集 256 bit 原始熵
TRNG->CR   = TRNG_CR_EN | TRNG_CR_RNGEN;
TRNG->CFG  = TRNG_CFG_SRC_RING | TRNG_CFG_DIV_1M;
uint8_t raw[32];
for (int i = 0; i < 32; i++) {
    while (!(TRNG->SR & TRNG_SR_DRDY));
    raw[i] = TRNG->DR;
}
// 健康测试：连续 1/0 计数、重复计数
if (!trng_health_check(raw, 32)) {
    trng_fault_handler();   // 触发故障响应
}

第二步，条件化。对 256 bit 原始数据做 SHA-256，取前 128 bit 作为种子。SHA-256 的条件化作用是把有偏输入压缩为接近均匀的输出，同时保留最小熵。示例中若原始最小熵为 200 bit，则 128 bit 种子仍有足够裕量。

// 示例：SHA-256 条件化，取前 128 bit 作为种子
uint8_t seed[16];
sha256_context ctx;
sha256_init(&ctx);
sha256_update(&ctx, raw, 32);
sha256_final(&ctx, digest);      // digest 为 32 字节
memcpy(seed, digest, 16);        // 取前 128 bit

第三步，初始化 CTR_DRBG 并生成密钥。CTR_DRBG 使用 AES-128，种子长度 128 bit，输出 128 bit AES 密钥。生成后立即用设备唯一密钥封装并写入 Key Store。

// 示例：CTR_DRBG 生成 AES-128 密钥
ctr_drbg_ctx drbg;
ctr_drbg_init(&drbg, seed, 16, NULL, 0);
uint8_t aes_key[16];
ctr_drbg_generate(&drbg, aes_key, 16, NULL, 0);
// 加密存储：AES-GCM 封装
key_store_write(KEY_ID_AES, aes_key, 16);

第四步，验证与判断。生成后应检查：TRNG 健康测试是否通过、种子最小熵是否达标、DRBG 输出是否可重复（同一 seed 应得到同一密钥，用于自检）、Key Store 写入后读回校验是否一致。若任一环节失败，应清除中间变量并重新采集熵，而不是继续使用可疑密钥。

检查项示例判据不通过时的处理
TRNG 健康测试连续 1/0 计数 < 32，重复计数 < 4触发故障响应，重新采集
种子最小熵≥ 128 bit增加采集量或启用多源混合
DRBG 自检同 seed 输出一致检查 DRBG 实现与种子长度
Key Store 回读与写入值一致检查封装密钥与存储完整性
在量产阶段，建议把 TRNG 健康测试和 DRBG 自检放入上电自检流程，并将失败事件记录到安全日志。对于资源极紧的 MCU，可只保留最小熵估计与连续健康测试，但不可省略种子加密存储。

综上，受限设备上的密钥生成不是单点操作，而是一条从物理熵源到密钥产物的完整链路。TRNG 提供不可预测性，条件化保证均匀性，DRBG 提供效率，种子管理保证持久安全，合规要求则约束整条链路的可验证性。只有把每一环都做实，密钥才真正可信。

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