前言
讲述在嵌入式软件开发中，密码学相关算法知识，以及其应用。
开源算法库，如何适配。算法接口
以小米手环的流程为例
嵌入式之加密应用简述
嵌入式设备间认证
绑定认证
通信
支付
各个应用场景都要求保证数据的安全性
但数据通信通道是不安全的，传输数据是明文，易被监听，如何保证数据的安全性？
所以需要加密，使得 即使他人监听到传输数据，也无法逆推出有效数据。
现代加密协议 TLS 1.3
加密算法概念简述
ECDH（Elliptic Curve Diffie-Hellman） 是一种基于椭圆曲线密码学的密钥交换协议，用于在不安全的通信环境中安全协商共享密钥
AES: 高级加密标准，一种对称加密算法，用于对数据进行加密和解密
主要特性：
对称加密：加密和解密使用相同的密钥
分组密码：将明文分成128位的块进行处理
密钥长度：支持128位、192位、256位三种长度
加密轮数：根据密钥长度不同，分别为10轮、12轮、14轮
加密流程：
字节替换（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
列混合（MixColumns）
轮密钥加（AddRoundKey）
应用场景：TLS/SSL、磁盘加密、移动支付、物联网设备等HMAC: 基于密钥的哈希消息认证码，用于验证消息的完整性和来源
特点：
需要密钥才能生成和验证
防止消息被篡改
常用于API认证、数字签名等HKDF: 密钥派生函数，用于从一个主密钥派生出多个安全强度高的子密钥
一个完整的流程：ECDH协商共享密钥，HKDF派生会话密钥，AES加密数据，HMAC验证消息完整性
加密算法说明及用例
ECDH（椭圆曲线迪菲-赫尔曼密钥交换）
ECDH（Elliptic Curve Diffie-Hellman）是一种基于椭圆曲线密码学的密钥交换协议，用于在不安全的通信环境中安全协商共享密钥
核心：双方交换公开参数，生成共享密钥，无需直接传输密钥本身。
流程： 以secp256r1（P-256）曲线为例
- 协商：双方事先约定使用相同的椭圆曲线参数（曲线类型）
- 私钥生成：随机生成一个整数d，私钥的大小（以位数表示）等于曲线阶的比特长度；例如，对于secp256r1（P-256）曲线，私钥是一个256位（32字节）的整数。
- 公钥生成：私钥与基点G通过点乘运算得到
基点G(x,y) 是椭圆曲线的一部分，通常由椭圆曲线的标准定义决定。如果使用标准曲线，则不用协商定义
公钥 Q = d * G，Q值是一个坐标(x,y)，在代码中用64个字节表示，其中前32字节表示x坐标，后32字节表示y坐标 - 公钥交换：A设备和B设备通信交换各自的公钥
- 共享密钥计算：设备A和B分别使用 各自的私钥d x 对方的公钥，得到共享密钥S。两者计算出的共享密钥S是相同的。
共享密钥原理：
- 椭圆曲线点乘的交换律，满足：
[d_A \times (d_B \times G) = d_B \times (d_A \times G)] - G是
安全原理：
- 椭圆曲线离散对数问题（ECDLP）：从公钥 Q 反推私钥 d 的难度极高，确保攻击者无法破解私钥。
- 与数学的椭圆曲线不同，其作用于有限域，且是取模运算（取余数），基本无法从余数反推出私钥值
优势：
椭圆曲线
有限域
取模运算（取余数）
公钥 = 私钥 * k % 模数
知道公钥，但不可能推算出私钥。
但双方 公钥 * 私钥 % 模数 = 共享密钥 是一致的
生成密钥后，又是如何对数据进行加密的呢
代码以及用例验证
python代码，得到结果
可以用来对照部署在嵌入式设备，验证算法接口的正确性
SHA256
比CRC、CheckSum高级，更安全可靠
SHA256作为一种安全可靠的哈希算法，广泛应用于密码存储、数字签名、数据完整性验证等场景，是现代密码学体系中的重要组成部分。
对ECDH生成的共享密钥进行哈希处理，生成会话密钥
SHA256通过一系列复杂的位运算（包括位移、逻辑运算、模加法等），将输入数据分块处理，最终生成哈希值。整个过程涉及：
数据填充和分块
初始化哈希值
按块进行压缩函数运算
最终输出哈希值
OOB 拼接
HMAC
HKDF
AES
AES128
MD5
加密流程讲述
典型协议流程示例（TLS 1.3）
TLS 1.3是啥
客户端与服务器协商参数：选择椭圆曲线（如 secp256k1）和哈希算法（如 SHA-256）。
ECDH 密钥交换：双方交换公钥，生成共享密钥 S。
密钥派生：使用 SHA-256 对 S 和其他参数进行哈希，生成会话密钥。
数据加密与验证：
使用 AES-256（密钥来自步骤3）加密数据。
使用 SHA-256 生成 HMAC 校验数据完整性。
XiaoMi 穿戴加密流程
本地绑定
派生密钥
鉴权
oob 如何生成
id
通信
正常透传通信后，每次收发数据都进行加解密
ccm解密miwear_crypto_ccm_decrypt:642
aes128加密
嵌入式加密算法移植、设计与应用
github 算法库
接口
思考与拓展
如何自己搭建/应用现代加密协议栈？
验证算法接口是否正确，python可执行对比
ECDH与SHA256的联系？
TLS、TLS 1.3 是啥加密协议流程？
加密算法代码占用空间？
嵌入式C语言开发中
实例应用中，至少需要准备200KB的空间，用于部署加密算法库
所有的数据通信都是密文吗？基于ECDH得到的共享密钥，如何对数据进行加密？
密钥哈希化：将原始密钥通过哈希算法（如SHA256）进行处理，生成一个固定长度的哈希值，然后将这个哈希值用作后续加密操作的密钥
使用哈希值 + 数据 进行AES128加密
对方使用密钥哈希值 + 加密数据 进行AES128解密
非对称加密是什么？对称加密是什么？区别与联系、应用？
三元组是啥？与加密算法的联系？四元组呢？
在加密领域，三元组（3DES），通常指 三重DES（Triple DES，3DES），这是一种对称加密算法，用于增强经典DES算法的安全性。
现已经逐步淘汰，逐渐被AES取代。
加密领域，通常没有四元组的概念，在计算机科学和网络通信中，“四元组”指用于唯一标识网络连接或数据流的一组四个参数。
在网络层（如IP）和传输层（如TCP/UDP）中，四元组唯一标识一条端到端的通信连接
绑定四元组：会话密钥通常与四元组关联，确保同一连接的不同数据流使用相同密钥加解密
：为什么一些联网的设备需要提前烧录四元组？
可能破解的流程是怎样的？知道了私钥，能破解数据吗？
须多重解密
每一次的数据传输，都是AES叠加HMAC
数字签名是什么？
JL有没有数字签名？
基于非对称密码学的数学机制，用于让接收方确信消息确实来自声称的发送方，并且在途中没有被篡改
| 目标 | 手段 | 密钥 |
|---|---|---|
| 加密 | 防止别人看到内容 | 公钥加密，私钥解密 |
| 签名 | 防止别人伪造/篡改内容 | 私钥签名，公钥验签 |
公钥给你一把‘只能锁门’的挂锁；只有我手里的私钥才能造出‘能开门’的钥匙
先使用了私钥进行了运算，只有对的公钥才能验证算式成功
HMAC也是验证数据完整性的一种机制，所以HMAC是数字签名吗？
HMAC 只能做“消息认证码”（MAC），而数字签名必须基于非对称密钥（私钥签名+公钥验签）。二者最本质的差别：
| 能力 | HMAC | 数字签名 |
|---|---|---|
| 是否用到非对称密钥 | ❌ 对称密钥（双方共享同一把） | ✅ 私钥签名，公钥验签 |
| 能否让第三方仲裁 | ❌ 任何能验的人也能伪造，无法证明“是谁签的” | ✅ 公钥公开，私钥唯一；第三方可独立验证 |
| 主要作用 | 防篡改、防伪造（参与双方诚实场景） | additionally 提供不可否认性（可上法庭） |
| 性能 | 哈希+一次对称运算，极快 | 非对称运算，慢一个量级 |
| 常见标准 | HMAC-SHA256、HMAC-SHA512 | RSA-PSS、ECDSA、Ed25519 |