3、密码学基础：对称加密(AES)、非对称加密(RSA/ECC)、哈希函数(SHA256)
好，咱们进入正题。密码学，听起来很高大上，对吧？其实在嵌入式世界里，尤其是可穿戴设备里，它就是个「看门狗」——保护你的数据不被别人偷走或篡改。我个人习惯把密码学比作「锁和钥匙」的组合，只不过这里的锁和钥匙都是数学公式。
今天咱们聊三个核心工具：AES、RSA/ECC 和 SHA256。你想想看，一个可穿戴设备从采集心率到上传云端，这三样东西基本都会用到。嗯，咱们一个一个来。
3.1 对称加密：AES
对称加密，说白了就是「一把钥匙开一把锁」。加密和解密用的是同一个密钥。速度快，适合在资源受限的MCU上跑。
AES（Advanced Encryption Standard）是目前最主流的对称加密算法。它支持128、192、256位密钥长度。我个人建议，在可穿戴设备里至少用AES-128，如果芯片算力够，直接上AES-256。
核心要点：AES 是分组加密，每次处理16字节（128位）的数据块。如果数据不够16字节，需要做填充（Padding）。
我在项目中遇到过一个问题：某款手环在传输心率数据时，用了AES-ECB模式。结果呢？加密后的数据块之间没有关联，攻击者可以通过重放攻击伪造数据包。后来我改成了AES-CBC模式，加了个随机IV（初始化向量），问题就解决了。
来看一个简单的代码示例，用C语言实现AES-128加密（伪代码风格）：
// AES-128 CBC 加密示例
#include "aes.h"
uint8_t key[16] = {0x2b, 0x7e, 0x15, 0x16, 0x28, 0xae, 0xd2, 0xa6,
0xab, 0xf7, 0x15, 0x88, 0x09, 0xcf, 0x4f, 0x3c};
uint8_t iv[16] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07,
0x08, 0x09, 0x0a, 0x0b, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f};
uint8_t plaintext[32] = "Hello, Wearable!";
uint8_t ciphertext[32];
AES_CBC_encrypt(plaintext, ciphertext, key, iv, sizeof(plaintext));
避坑指南：我曾经在STM32上直接用了软件实现的AES，结果发现加密一次要几十毫秒，严重影响实时性。后来换成了硬件AES加速器（如果芯片支持），速度提升了10倍以上。所以，选型时一定要看芯片有没有硬件加密引擎。
3.2 非对称加密：RSA 与 ECC
非对称加密，就是「两把钥匙」——公钥加密，私钥解密。公钥可以公开，私钥自己藏好。它解决了对称加密中密钥分发的难题。
RSA 是最经典的非对称算法，基于大整数分解的数学难题。但它的密钥长度通常需要2048位以上才安全，这在可穿戴设备上是个负担——计算慢、占用Flash大。
ECC（椭圆曲线密码学） 就友好多了。它基于椭圆曲线离散对数难题，用更短的密钥就能达到同等安全强度。比如，ECC-256 的安全性与 RSA-3072 相当，但密钥长度只有后者的十分之一。
我个人更倾向于在可穿戴设备里用ECC。为什么？你想想看，一个手环的Flash可能只有256KB，你还要放固件、放算法、放数据。RSA的密钥存储和运算开销太大了。
| 算法 | 密钥长度（安全等级） | 计算开销 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| RSA | 2048位（112位安全） | 高 | 密钥交换、数字签名 |
| ECC | 256位（128位安全） | 低 | 可穿戴设备、IoT |
注意：非对称加密速度慢，不适合加密大量数据。实际项目中，我们通常用「混合加密」：用ECC或RSA交换对称密钥，然后用AES加密实际数据。我在做一款智能手表时，就是这么干的——先用ECC握手，再用AES-CBC加密传感器数据。
3.3 哈希函数：SHA256
哈希函数，说白了就是「数字指纹」。它能把任意长度的数据，压缩成一个固定长度的摘要（比如256位）。而且，它是单向的——从摘要反推原始数据，几乎不可能。
SHA256 是SHA-2家族的一员，输出256位（32字节）的哈希值。在可穿戴设备里，它常用于：
- 数据完整性校验：确保固件或数据在传输过程中没被篡改。
- 密码存储：不存明文密码，只存哈希值。
- 数字签名：先对消息做哈希，再对哈希值签名。
我记得有一次，一个客户反馈说手环的固件升级总是失败。排查了半天，发现是固件包的SHA256校验值在传输过程中被截断了。嗯，这里要注意：哈希值必须完整传输，否则校验会失败。
来看一个SHA256的简单用法（伪代码）：
// SHA256 哈希计算示例
#include "sha256.h"
uint8_t data[] = "Firmware v2.1";
uint8_t hash[32];
SHA256_calculate(data, sizeof(data), hash);
// hash 数组里就是32字节的摘要值
个人经验：在低功耗场景下，SHA256的计算功耗其实不高。以Cortex-M4内核为例，计算一次SHA256大约消耗几毫秒，电流也就几毫安。所以，别怕用哈希函数，它比非对称加密省电多了。
3.4 三者如何配合？
在实际的可穿戴设备中，这三个算法通常是「打配合」的。我给你画个简单的流程：
- 设备注册时：用ECC生成密钥对，公钥上传到服务器，私钥留在设备安全存储区。
- 数据传输时：用ECC或RSA交换一个临时AES密钥（会话密钥）。
- 数据加密时：用AES-CBC加密传感器数据（如心率、血氧）。
- 数据校验时：对加密后的数据包做SHA256哈希，确保完整性。
- 固件升级时：先校验固件包的SHA256值，再用ECC签名验证固件来源。
你看，一环扣一环。少了任何一个，都可能被攻击者钻空子。我曾经见过一个产品，只用了AES加密，没做哈希校验，结果攻击者篡改了加密数据包，导致设备死机。嗯，教训深刻。
总结一下：
- AES：速度快，适合加密大量数据。推荐CBC或GCM模式。
- ECC：密钥短，适合资源受限设备。推荐用于密钥交换和签名。
- SHA256：轻量级，适合完整性校验和密码存储。
记住，密码学不是「用了就安全」，而是「用对了才安全」。选型时，一定要结合芯片算力、功耗、Flash大小来权衡。
好，这一章就到这里。下一章咱们聊聊「安全启动与固件签名」，到时候会用到今天讲的哈希和签名知识。有什么问题，欢迎随时交流。