第2章密码学基础

密码学基础：对称加密与非对称加密、哈希函数、数字签名、密钥管理基础

各位同学，咱们今天聊点硬核的——密码学。别一听就头大，其实这东西没那么玄乎。我做了这么多年物联网安全，说白了，密码学就是给数据穿上一件防弹衣。你想想看，设备之间传数据，就像在大街上喊话，谁都能听见。密码学就是让你俩用只有彼此懂的黑话交流。

对称加密，顾名思义，加密和解密用的是同一把钥匙。就像你家的门锁，用钥匙锁上，再用同一把钥匙打开。典型的算法有 AES、DES、SM4（国密标准）。

我在项目中遇到过最典型的场景：传感器采集温度数据，通过 Wi-Fi 发给网关。数据量不大，但要求实时。这时候用对称加密最合适，速度快，开销小。

核心要点：对称加密的优点是快，缺点是密钥分发难。你想想，如果每个设备都要预置同一把钥匙，万一哪个设备被破解了，整个系统就全完了。

举个例子，AES-128 加密一段数据：

// 伪代码示例
plaintext = "温度: 25.3°C"
key = "0123456789abcdef"  // 128位密钥
ciphertext = AES_Encrypt(plaintext, key)
// 输出: 一串看起来像乱码的字节

嗯，这里要注意：密钥长度很重要。AES-128 够用，但如果你做的是金融级别的物联网设备，我建议上 AES-256。多花那点算力，换来的是更高的安全余量。

非对称加密就更有意思了。它有一对钥匙：公钥和私钥。公钥可以公开，私钥自己藏好。你用公钥加密，只有对应的私钥能解开。反过来，你用私钥签名，别人用公钥验证。

说白了，这解决了对称加密最大的痛点——密钥分发。你不需要提前把密钥告诉对方，直接把公钥扔出去就行。

常见的算法有 RSA、ECC（椭圆曲线）、SM2（国密）。我个人习惯在物联网设备上用 ECC，因为它的密钥更短，算力要求更低。你想想看，一个温度传感器，CPU 主频可能才几十兆赫兹，跑 RSA 2048 位加密，那得等到花儿都谢了。

我的经验：在资源受限的物联网设备上，ECC 256 位的安全性相当于 RSA 3072 位，但计算速度快了不止一个数量级。我曾经在一个基于 ESP32 的项目中，用 ECC 做密钥交换，整个握手过程不到 200 毫秒。

哈希函数，你可以把它理解成给数据按个指纹。不管数据多大，哈希函数都能算出一个固定长度的摘要。而且，哪怕你只改了一个比特，算出来的哈希值就完全不一样。

常见的哈希算法有 SHA-256、SHA-3、SM3（国密）。

我在项目中遇到过一件事：有个设备固件升级，下载下来总是不对。后来发现是传输过程中丢包了。怎么发现的？就是对比了固件的哈希值。下载前先拿到官方发布的 SHA-256 值，下载完本地再算一遍，对不上就说明文件坏了。

避坑指南：我曾经见过有人用 MD5 做固件校验。MD5 已经被证明有碰撞风险了，千万别再用。至少上 SHA-256，这是底线。

哈希函数还有一个重要用途：存储密码。你想想，如果数据库里存的是明文密码，一旦被拖库，所有用户就全完了。正确的做法是存密码的哈希值。用户登录时，把输入的密码哈希一下，跟数据库里的比对。

// 密码存储的正确姿势
password = "user123456"
salt = random_bytes(16)  // 加盐，防止彩虹表攻击
hash = SHA256(salt + password)
// 存储: salt + hash

数字签名，说白了就是用私钥给数据打个标记，证明这数据确实是你发的，而且没被篡改过。它结合了哈希函数和非对称加密。

流程是这样的：

为什么会这样？因为只有持有私钥的人才能生成有效的签名。公钥是公开的，谁都能验证，但伪造不了签名。

我记得有一次做车联网项目，车辆之间要交换位置信息。如果不用数字签名，黑客可以伪造一辆假车的位置，造成交通事故。加了签名之后，每辆车都验证对方的身份，这就安全多了。

讲到这里，你可能会问：算法都挺好，但密钥怎么管？

嗯，这才是物联网安全里最头疼的问题。算法再强，密钥泄露了，一切白搭。

我总结了几条密钥管理的铁律：

核心观点：密钥管理不是技术问题，而是工程问题。你设计得再好，落地执行不到位，照样出问题。我曾经在一个项目中，密钥轮换脚本写错了，导致上千台设备离线。从那以后，我每次做密钥管理方案，都会加上灰度发布和回滚机制。

最后，给大家一个实用的建议：在物联网设备上，优先使用硬件安全模块（如 ATECC608A 这样的安全芯片）。它内置了密钥存储、加密运算、真随机数生成等功能，而且密钥一旦写入，就无法从外部读取。这比你在软件层面做再多防护都管用。

好了，密码学基础就聊到这儿。下一章咱们讲 TLS 协议，看看怎么把这些密码学工具组合起来，实现端到端的安全通信。