名称: 嵌入式加密描述: 嵌入式加密操作与安全元件集成。硬件加密加速器、安全密钥存储、TrustZone配置和侧信道攻击防护的专家技能。允许工具: Read, Grep, Write, Edit, Bash, Glob, WebFetch, WebSearch

嵌入式加密操作技能

嵌入式系统中加密操作的专家技能。提供硬件加密加速器、安全密钥存储、TrustZone配置和安全最佳实践的专长。

概述

嵌入式加密技能支持在嵌入式系统中实现安全的加密功能：

硬件加密加速器使用
AES/SHA/ECC实现
安全密钥存储配置
TrustZone配置（Cortex-M33/M55）
安全启动链实现
证书管理
随机数生成（TRNG）
侧信道攻击防护

能力

1. 硬件加密加速器集成

利用硬件加速进行加密操作：

/**
 * @brief 初始化硬件加密加速器
 *
 * 启用时钟并配置加密外设以加速
 * AES、SHA和随机数生成。
 *
 * @return 成功时返回CRYPTO_OK
 */
crypto_status_t crypto_hw_init(void)
{
    // 启用外设时钟
    RCC->AHB2ENR |= RCC_AHB2ENR_CRYPTEN;

    // 启用AES、SHA和RNG模块
    CRYP->CR = CRYP_CR_ALGODIR | CRYP_CR_ALGOMODE_AES_CBC;

    // 配置为中断或DMA模式
    CRYP->CR |= CRYP_CR_CRYPEN;

    return CRYPTO_OK;
}

/**
 * @brief 硬件加速的AES-128 CBC加密
 *
 * @param[in]  key        128位加密密钥
 * @param[in]  iv         128位初始化向量
 * @param[in]  plaintext  要加密的数据
 * @param[out] ciphertext 加密输出
 * @param[in]  length     数据长度（必须是16的倍数）
 *
 * @return 成功时返回CRYPTO_OK
 */
crypto_status_t crypto_aes128_cbc_encrypt(
    const uint8_t key[16],
    const uint8_t iv[16],
    const uint8_t *plaintext,
    uint8_t *ciphertext,
    size_t length
);

2. 安全密钥存储

配置安全密钥存储机制：

/**
 * @brief 密钥存储位置和保护级别
 */
typedef enum {
    KEY_STORAGE_RAM,          // 易失性，复位时清除
    KEY_STORAGE_OTP,          // 一次性可编程熔丝
    KEY_STORAGE_SECURE_FLASH, // 带RDP的加密闪存
    KEY_STORAGE_TRUSTZONE,    // TrustZone安全区域
    KEY_STORAGE_HSM,          // 外部安全元件
} key_storage_t;

/**
 * @brief 安全存储的密钥属性
 */
typedef struct {
    uint32_t id;              // 密钥标识符
    key_storage_t location;   // 存储位置
    uint32_t algorithm;       // 密钥算法（AES、ECC等）
    uint16_t bits;            // 密钥大小（位）
    uint32_t usage;           // 允许的操作（加密、签名等）
    uint32_t lifetime;        // 持久性或易失性
    uint8_t exportable;       // 密钥是否可导出
} key_attributes_t;

/**
 * @brief 将密钥导入安全存储
 *
 * @param[in]  attributes  密钥属性
 * @param[in]  data        密钥材料
 * @param[in]  length      密钥长度
 * @param[out] key_id      分配的密钥ID
 *
 * @return 成功时返回CRYPTO_OK
 */
crypto_status_t secure_key_import(
    const key_attributes_t *attributes,
    const uint8_t *data,
    size_t length,
    uint32_t *key_id
);

3. TrustZone配置（ARMv8-M）

配置TrustZone以实现安全/非安全分离：

/**
 * @brief TrustZone内存区域配置
 *
 * 带TrustZone的内存映射：
 *
 * 地址范围          | 安全性   | 用途
 * --------------------|----------|------------------
 * 0x00000000-0x0001FFFF | 安全    | 安全引导加载程序
 * 0x00020000-0x0007FFFF | 非安全  | 非安全应用程序
 * 0x10000000-0x1000FFFF | 安全    | 安全代码/数据
 * 0x20000000-0x20007FFF | 安全    | 安全RAM
 * 0x20008000-0x2001FFFF | 非安全  | 非安全RAM
 * 0x40000000-0x4FFFFFFF | 非安全调用 | 外设（SAU）
 */

/**
 * @brief 为TrustZone配置SAU区域
 */
void sau_configure(void)
{
    // 区域0：非安全闪存（应用程序）
    SAU->RNR = 0;
    SAU->RBAR = 0x00020000U;  // 基地址
    SAU->RLAR = 0x0007FFFFU | SAU_RLAR_ENABLE_Msk;  // 非安全

    // 区域1：非安全RAM
    SAU->RNR = 1;
    SAU->RBAR = 0x20008000U;
    SAU->RLAR = 0x2001FFFFU | SAU_RLAR_ENABLE_Msk;

    // 区域2：非安全可调用（NSC）用于安全API
    SAU->RNR = 2;
    SAU->RBAR = 0x0001F000U;
    SAU->RLAR = 0x0001FFFFU | SAU_RLAR_NSC_Msk | SAU_RLAR_ENABLE_Msk;

    // 启用SAU
    SAU->CTRL = SAU_CTRL_ENABLE_Msk;
}

/**
 * @brief 暴露给非安全世界的安全函数
 *
 * @note 函数必须在NSC区域中
 */
__attribute__((cmse_nonsecure_entry))
int32_t secure_encrypt(uint8_t *data, size_t length)
{
    // 验证非安全指针
    if (cmse_check_address_range(data, length, CMSE_AU_NONSECURE) == NULL) {
        return CRYPTO_ERR_INVALID_PARAM;
    }

    // 在安全世界执行加密
    return crypto_aes128_encrypt_internal(data, length);
}

4. 真随机数生成

实现安全的随机数生成：

/**
 * @brief 初始化硬件TRNG
 *
 * 配置真随机数生成器，包括
 * 健康测试和调理。
 *
 * @return 成功时返回CRYPTO_OK，健康测试失败时返回错误
 */
crypto_status_t trng_init(void)
{
    // 启用RNG时钟
    RCC->AHB2ENR |= RCC_AHB2ENR_RNGEN;

    // 配置健康测试
    RNG->CR |= RNG_CR_CED;  // 时钟错误检测
    RNG->CR |= RNG_CR_RNG_CONFIG3;  // 调理

    // 启用RNG
    RNG->CR |= RNG_CR_RNGEN;

    // 等待第一个随机数并验证
    if (!trng_health_test()) {
        return CRYPTO_ERR_HEALTH_TEST;
    }

    return CRYPTO_OK;
}

/**
 * @brief 生成密码学安全的随机字节
 *
 * @param[out] output  用随机数据填充的缓冲区
 * @param[in]  length  要生成的随机字节数
 *
 * @return 成功时返回CRYPTO_OK
 *
 * @note 阻塞直到有足够的熵可用
 */
crypto_status_t trng_generate(uint8_t *output, size_t length);

5. 证书管理

处理设备身份的X.509证书：

/**
 * @brief 设备证书链
 *
 * 链结构：
 * 1. 设备证书（叶子）
 * 2. 中间CA证书
 * 3. 根CA证书（可选，通常由对等方信任）
 */
typedef struct {
    uint8_t *device_cert;
    size_t device_cert_len;
    uint8_t *intermediate_cert;
    size_t intermediate_cert_len;
    uint8_t *root_cert;
    size_t root_cert_len;
} cert_chain_t;

/**
 * @brief 验证证书链的有效性
 *
 * @param[in] chain     要验证的证书链
 * @param[in] trusted   受信任的根证书
 *
 * @return 有效时返回CRYPTO_OK，否则返回错误代码
 */
crypto_status_t cert_verify_chain(
    const cert_chain_t *chain,
    const cert_store_t *trusted
);

/**
 * @brief 从证书中提取公钥
 *
 * @param[in]  cert      DER编码的证书
 * @param[in]  cert_len  证书长度
 * @param[out] pubkey    提取的公钥
 *
 * @return 成功时返回CRYPTO_OK
 */
crypto_status_t cert_get_public_key(
    const uint8_t *cert,
    size_t cert_len,
    public_key_t *pubkey
);

6. 侧信道攻击防护

实施针对侧信道攻击的对策：

/**
 * @brief 抗侧信道比较
 *
 * 以恒定时间比较两个缓冲区，以防止
 * 时序攻击。
 *
 * @param[in] a       第一个缓冲区
 * @param[in] b       第二个缓冲区
 * @param[in] length  要比较的字节数
 *
 * @return 相等时返回0，否则返回非零值
 */
int crypto_compare_constant_time(
    const uint8_t *a,
    const uint8_t *b,
    size_t length
)
{
    uint8_t result = 0;
    for (size_t i = 0; i < length; i++) {
        result |= a[i] ^ b[i];
    }
    return result;
}

/**
 * @brief 带掩码对策的AES
 *
 * 对中间值应用随机掩码
 * 以保护免受DPA攻击。
 */
typedef struct {
    uint8_t key_masked[16];
    uint8_t mask[16];
    uint8_t state_mask[16];
} aes_masked_ctx_t;

/**
 * @brief 使用随机掩码初始化AES
 */
crypto_status_t aes_masked_init(
    aes_masked_ctx_t *ctx,
    const uint8_t key[16]
)
{
    // 生成随机掩码
    trng_generate(ctx->mask, 16);

    // 用掩码异或密钥
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        ctx->key_masked[i] = key[i] ^ ctx->mask[i];
    }

    return CRYPTO_OK;
}

流程集成

此技能与以下流程集成：

流程	集成点
`secure-boot-implementation.js`	加密验证和签名
`functional-safety-certification.js`	安全认证方面
`ota-firmware-update.js`	更新加密和签名

工作流程

1. 安全需求分析

## 安全需求清单

- [ ] 识别要保护的资产（密钥、数据、代码）
- [ ] 确定威胁模型（本地、网络、物理）
- [ ] 选择合适的算法（AES-128/256、ECC P-256）
- [ ] 定义密钥管理策略
- [ ] 规划侧信道防护
- [ ] 识别认证要求（PSA、SESIP、CC）

2. 硬件能力评估

# 检查加密加速器
grep -i "crypto\|aes\|sha\|rng" device_datasheet.pdf

# 验证TrustZone支持（Cortex-M33/M55）
arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-m33 -print-multi-lib | grep cmse

3. 实施

// 初始化加密子系统
crypto_hw_init();
trng_init();

// 导入设备密钥
key_attributes_t attr = {
    .algorithm = KEY_ALG_AES,
    .bits = 128,
    .usage = KEY_USAGE_ENCRYPT | KEY_USAGE_DECRYPT,
    .location = KEY_STORAGE_TRUSTZONE
};
secure_key_import(&attr, device_key, 16, &key_id);

// 配置TrustZone（如果可用）
sau_configure();

4. 安全测试

# 运行静态分析以检查加密问题
cppcheck --enable=security src/crypto/

# 检查时序漏洞
python tools/timing_analysis.py build/firmware.elf

# 验证随机数质量
python tools/rng_test_suite.py

输出模式

{
  "cryptoCapabilities": {
    "hardware": {
      "aes": true,
      "sha": true,
      "ecc": false,
      "trng": true
    },
    "trustzone": true,
    "secureElement": false
  },
  "keyManagement": {
    "storageLocations": ["otp", "trustzone"],
    "algorithms": ["aes-128-gcm", "ecdsa-p256"],
    "keyCount": 5
  },
  "implementation": {
    "library": "mbedtls",
    "hwAcceleration": true,
    "sideChannelProtection": true
  },
  "compliance": {
    "psaLevel": 1,
    "certifications": ["PSA Certified Level 1"]
  },
  "artifacts": [
    "src/crypto/crypto_hal.c",
    "src/crypto/trustzone_config.c",
    "src/crypto/key_storage.c",
    "docs/security-architecture.md"
  ]
}

安全最佳实践

密钥管理

切勿将密钥以明文形式存储在闪存中
对根密钥使用OTP熔丝
为会话密钥实施密钥派生
使用后清零密钥

算法选择

使用AES-GCM进行认证加密
使用ECDSA P-256进行签名
使用SHA-256作为最小哈希算法
避免使用已弃用的算法（DES、MD5、SHA-1）

实施

使用经过审查的加密库（mbedTLS、wolfSSL）
启用硬件加速（如果可用）
实施恒定时间操作
从内存中清除敏感数据

测试

验证TRNG输出质量
测试时序漏洞
验证证书处理
审计加密配置

参考资料

ARM TrustZone for ARMv8-M
mbedTLS文档：https://tls.mbed.org/
wolfSSL手册：https://www.wolfssl.com/docs/
PSA认证：https://www.psacertified.org/
NIST加密标准

另请参阅

secure-boot-implementation.js - 安全启动流程
ota-firmware-update.js - 安全更新
SK-015：OTA更新技能
AG-005：嵌入式安全专家代理

名称: 嵌入式加密 描述: 嵌入式加密操作与安全元件集成。硬件加密加速器、安全密钥存储、TrustZone配置和侧信道攻击防护的专家技能。 允许工具: Read, Grep, Write, Edit, Bash, Glob, WebFetch, WebSearch

嵌入式加密操作技能

概述

能力

1. 硬件加密加速器集成

2. 安全密钥存储

3. TrustZone配置（ARMv8-M）

4. 真随机数生成

5. 证书管理

6. 侧信道攻击防护

流程集成

工作流程

1. 安全需求分析

2. 硬件能力评估

3. 实施

4. 安全测试

输出模式

安全最佳实践

密钥管理

算法选择

实施

测试

参考资料

另请参阅

名称: 嵌入式加密描述: 嵌入式加密操作与安全元件集成。硬件加密加速器、安全密钥存储、TrustZone配置和侧信道攻击防护的专家技能。允许工具: Read, Grep, Write, Edit, Bash, Glob, WebFetch, WebSearch