密码学

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一文学会密码学应用

11 分钟

IoT 密码学的"够用就好"

目标：会应用、能理解并能设计方案。不讲复杂数学，只讲必要概念、参数与避坑清单。

必要概念

  • 机密性（Confidentiality）：防止被看懂（加密）
  • 完整性（Integrity）：防止被悄悄改（认证）
  • 身份不可否认性（Identity）：谁在对话（签名/证书）
  • 对称密钥（Symmetric）：同一把密钥加解密（AES/ChaCha20-Poly1305）
  • 非对称密钥（Asymmetric）：私钥/公钥（ECDSA/Ed25519、ECDH/X25519）
  • AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）：一次完成加密+认证（GCM/CCM、ChaCha20-Poly1305）
  • MAC（Message Authentication Code）：只做认证（HMAC/AES-CMAC），不加密
  • KDF（Key Derivation Function）：把"原始秘密"（如 ECDH/X25519 共享秘密）变成"可用密钥"
  • 密钥格式：SPKI(公钥)/PKCS8(私钥)容器，DER(二进制)/PEM(文本)编码

一张图

[A私钥 + B公钥] --(ECDH/X25519)--> [共享秘密S]
[S] --(HKDF salt, info, L)--> [对称密钥K]
[消息M, AAD] --(AEAD:K, nonce)--> [C || tag]
[M] --(HMAC/CMAC:K)--> [tag]
[M] --(签名:私钥)--> [signature]
  • AEAD 输出总是"密文+标签"，解密前先验标签
  • MAC/签名不加密数据
  • 共享秘密不能直接当密钥，必须 KDF

参数小抄（长度与格式）

  • Nonce/IV：GCM=12字节；ChaCha20-Poly1305=12字节；CCM=13字节（常用）；CBC=16字节
  • Key：AES=16/24/32字节；ChaCha20-Poly1305=32字节
  • 签名编码：ECDSA=DER 或 RAW(r||s 64字节)；Ed25519=RAW
  • 公钥/私钥容器：SPKI（公钥）/PKCS8（私钥），DER 字节可转 PEM 文本

何时用什么

  • 受限设备/无线协议：AES-CCM（硬件加速） 或 ChaCha20-Poly1305（软实现友好）
  • Web/通用：AES-GCM（Galois/Counter Mode） 或 ChaCha20-Poly1305
  • 只要完整性：HMAC-SHA256（Hash-based Message Authentication Code） 或 AES-CMAC
  • 固件/长消息签名：Ed25519 或 ECDSA-P256
  • 会话建立：ECDH-P256 或 X25519 → HKDF → AEAD

攻防小卡片

  • 绝不在同一密钥下复用 AEAD nonce
  • CBC 本身不认证，必须"加 MAC"，推荐改用 AEAD
  • 密钥交换一定要带签名，防止中间人攻击（MITM）

快速上手

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