TEE-OS 入门前置篇：密码学基础核心-二趣网

TEE-OS 入门前置篇：密码学基础核心

承接上一篇的安全基础概念，本篇我们来讲解所有安全技术的核心工具——密码学。如果说隔离是安全的城墙，那么密码学就是城墙上的锁和卫兵。TEE的所有安全能力，从安全启动到安全存储，从支付签名到生物识别，本质上都是密码学技术的具体应用。

作为一名工程师，你不需要成为密码学家，不需要精通每一个算法的数学原理，但你必须准确理解每个算法的特性、适用场景和常见陷阱。90%的安全漏洞不是因为算法本身被破解，而是因为开发者用错了算法。

一、密码学的核心目标

所有密码学算法最终都是为了实现上一篇讲到的安全三要素：

机密性：加密算法保证信息不被未授权读取
完整性：哈希算法和数字签名保证信息不被未授权篡改
不可否认性：数字签名保证行为主体无法否认自己的操作

二、对称加密：大数据量加密的首选

1. 核心原理

对称加密使用同一把密钥进行加密和解密。

明文 + 密钥 → 加密算法 → 密文

密文 + 同一把密钥 → 解密算法 → 明文

2. 核心特性

速度极快：比非对称加密快1000倍以上
适合加密大数据量：文件、视频、固件等
密钥分发困难：通信双方必须通过安全通道交换密钥
无法提供身份认证和不可否认性

3. 主流算法详解

（1）AES（Advanced Encryption Standard）

地位：全球通用的对称加密标准，被所有国家和行业认可
密钥长度：128位（AES-128）、192位（AES-192）、256位（AES-256）
安全强度：AES-128足以抵御目前所有已知的攻击，AES-256用于最高安全级别场景
TEE应用：安全存储、OTA升级包加密、DRM内容解密、硬盘加密

（2）SM4

地位：中国国家密码管理局发布的国密对称加密标准
密钥长度：128位
安全强度：与AES-128相当
应用场景：国内金融、政务、军工等必须使用国密算法的领域
MTK平台支持：所有联发科芯片都内置了SM4硬件加速引擎

4. 关键概念：分组加密工作模式

对称加密算法只能加密固定长度的数据块（AES和SM4都是128位）。要加密任意长度的数据，需要使用工作模式。

工作模式	特点	安全性	推荐程度
ECB	最简单，每个块独立加密	极差，相同明文块生成相同密文块	绝对禁止使用
CBC	每个块与前一个密文块异或后再加密	中等，需要IV向量	不推荐用于新系统
GCM	认证加密模式，同时提供加密和完整性校验	极高	强烈推荐，所有新系统的首选

重要警告：永远不要在生产环境中使用ECB模式。它会泄露明文的统计特征，即使不知道密钥也能破解部分信息。

5. TEE中的最佳实践

所有大数据量加密统一使用AES-256-GCM或SM4-GCM
IV向量必须是随机生成的，且每个加密操作使用不同的IV
永远不要自己实现加密算法，使用TEE内核提供的硬件加速接口

三、非对称加密：解决密钥分发问题

1. 核心原理

非对称加密使用一对密钥：公钥和私钥。

公钥可以公开给任何人
私钥必须严格保密，永远不能泄露
公钥加密的内容只能用对应的私钥解密
私钥签名的内容只能用对应的公钥验签

2. 核心特性

解决密钥分发问题：不需要安全通道交换密钥
提供身份认证和不可否认性
速度极慢：比对称加密慢1000倍以上
不适合加密大数据量

3. 主流算法详解

（1）RSA

地位：最经典、应用最广泛的非对称加密算法
密钥长度：2048位（最低安全要求）、3072位（推荐）、4096位（最高安全）
缺点：密钥太长，计算量大，速度慢
现状：正在被ECC逐步取代，但在很多老系统中仍在使用

（2）ECC（Elliptic Curve Cryptography，椭圆曲线加密）

地位：现代非对称加密的主流标准
核心优势：在相同安全强度下，密钥长度比RSA短得多
安全强度对比：

ECC密钥长度	RSA等效密钥长度
256位	3072位
384位	7680位

常用曲线：
- secp256r1（NIST P-256）：全球通用标准
- secp256k1：比特币使用的曲线
TEE应用：密钥交换、数字签名、身份认证

（3）SM2

地位：中国国密非对称加密标准
基于椭圆曲线：安全强度与ECC secp256r1相当
应用场景：国内金融、政务、军工领域
MTK平台支持：所有联发科芯片都内置了SM2硬件加速引擎

4. 最常见的使用误区

绝对不要用非对称加密直接加密大数据。非对称加密的正确用法是：

生成一个随机的对称密钥（会话密钥）
用对称密钥加密大数据
用对方的公钥加密会话密钥
将加密后的会话密钥和密文一起发送给对方
对方用自己的私钥解密会话密钥，再用会话密钥解密大数据

5. TEE中的最佳实践

所有新系统优先使用ECC secp256r1或SM2
RSA只用于兼容老系统，且密钥长度至少2048位
私钥永远不要离开TEE，所有私钥操作都在TEE内部完成

四、哈希算法：完整性校验的基石

1. 核心原理

哈希算法将任意长度的输入数据转换为固定长度的输出（哈希值）。

2. 三个核心特性

单向性：无法从哈希值反推出原始数据
抗碰撞性：无法找到两个不同的输入数据，生成相同的哈希值
确定性：相同的输入永远生成相同的输出

3. 主流算法详解

（1）SHA-256

地位：全球通用的哈希算法标准
输出长度：256位（32字节）
安全强度：极高，目前没有有效的破解方法
TEE应用：数据完整性校验、密码存储、数字签名、OTA升级包校验

（2）SM3

地位：中国国密哈希算法标准
输出长度：256位
安全强度：与SHA-256相当
应用场景：国内金融、政务、军工领域

4. 绝对禁止使用的算法

MD5：已被完全破解，碰撞攻击非常容易
SHA-1：已被破解，2017年谷歌发布了SHA-1碰撞攻击
这两个算法只能用于校验非安全相关的数据，绝对不能用于任何安全场景

5. 典型应用场景

（1）数据完整性校验

发送方：计算文件的SHA-256哈希值 → 发送文件和哈希值 接收方：计算收到文件的SHA-256哈希值 → 与发送的哈希值对比 如果相同，说明文件没有被篡改；如果不同，说明文件被篡改

（2）密码存储

永远不要明文存储密码，也不要用加密的方式存储密码。正确的做法是： 存储：密码 + 随机盐 → SHA-256哈希 → 存储哈希值和盐 验证：用户输入密码 + 存储的盐 → SHA-256哈希 → 与存储的哈希值对比

五、数字签名：身份认证与不可否认性

1. 核心原理

数字签名是非对称加密和哈希算法的结合。

2. 完整签名与验签流程

签名流程（发送方）：

计算原始数据的SHA-256哈希值
用自己的私钥对哈希值进行加密，生成签名
将原始数据和签名一起发送给接收方

验签流程（接收方）：

计算收到的原始数据的SHA-256哈希值
用发送方的公钥对签名进行解密，得到发送方计算的哈希值
对比两个哈希值，如果相同，说明：

数据确实是由持有对应私钥的发送方发送的（身份认证）
数据在传输过程中没有被篡改（完整性）
发送方无法否认自己发送了这个数据（不可否认性）

3. 为什么要先哈希再签名？

非对称加密速度慢，只加密哈希值（32字节）比加密整个原始数据快得多
大多数非对称加密算法只能加密固定长度的数据，无法加密任意长度的原始数据

4. TEE中的核心应用

数字签名是TEE中最重要的安全机制之一：

安全启动：每一级固件在加载前都会验证签名
OTA升级：升级包在安装前会验证签名
TA验证：每个TA在加载前都会验证厂商签名
支付签名：交易信息在TEE中用支付私钥签名

六、密钥管理与安全存储：TEE的核心价值

密码学算法本身是公开的，系统的安全最终取决于密钥的安全。如果密钥被泄露，再强的算法也毫无意义。这正是TEE存在的核心价值——保护密钥的安全。

1. 密钥分级体系

现代安全系统采用分层密钥管理体系，不同级别的密钥有不同的安全要求：

最高安全级别 ↑ 根密钥（HUK） ↑ 设备加密密钥（DEK） ↑ 用户密钥（UK） ↑ 会话密钥（SK） ↑ 最低安全级别

（1）根密钥（Hardware Unique Key, HUK）

存储位置：烧录在芯片的efuse中，一次性可编程
特性：每个设备唯一，永远无法读取，永远无法修改
作用：整个系统的信任根，用于派生所有其他密钥
安全级别：最高，只有TEE内核可以访问

（2）设备加密密钥（Device Encryption Key, DEK）

生成方式：由HUK派生而来
存储位置：加密存储在RPMB分区中
作用：用于加密所有用户密钥和安全存储数据
安全级别：高，只有TEE内核可以访问

（3）用户密钥（User Key, UK）

生成方式：用户创建或导入的密钥，如支付密钥、加密密钥
存储位置：用DEK加密后存储在普通文件系统中
作用：用于加密用户数据和执行安全操作
安全级别：中，只有对应的TA可以访问

（4）会话密钥（Session Key, SK）

生成方式：每次会话随机生成
存储位置：TEE内部内存中
作用：用于单次会话的加密
安全级别：低，会话结束后立即销毁

2. TEE安全存储的实现原理

这是TEE最核心的功能，也是很多人最困惑的地方：为什么即使root了Android系统，也无法读取TEE中的安全存储数据？

答案很简单：加密密钥永远不会出现在非安全世界。

完整的安全存储流程：

用户需要存储一个敏感数据
TA将数据发送给TEE内核
TEE内核用HUK派生的DEK加密数据
TEE内核将加密后的数据返回给TA
TA将加密后的数据存储在普通的文件系统中（如/data/tee/）

读取流程：

TA从文件系统读取加密后的数据
TA将加密数据发送给TEE内核
TEE内核用DEK解密数据
TEE内核将解密后的明文数据返回给TA
TA使用明文数据，使用完成后立即从内存中清除

关键点：DEK永远不会离开TEE内核，非安全世界只能看到加密后的数据。即使攻击者获得了Android系统的root权限，也无法获取DEK，也就无法解密安全存储的数据。

3. 密钥管理的铁律

密钥永远不要出现在非安全世界：所有密钥操作都必须在TEE内部完成
永远不要硬编码密钥：任何密钥都不能写在代码或配置文件中
最小权限原则：每个TA只能访问自己的密钥，不能访问其他TA的密钥
密钥生命周期管理：密钥必须有明确的生成、使用、更新、销毁流程
永远不要备份私钥：私钥一旦泄露，整个系统的安全就不复存在

七、本篇总结与下一篇预告

本篇核心要点

对称加密速度快，适合加密大数据；非对称加密解决密钥分发问题，提供身份认证
哈希算法提供数据完整性校验，是数字签名的基础
数字签名同时提供身份认证、完整性和不可否认性
系统的安全最终取决于密钥的安全，TEE的核心价值就是保护密钥
永远不要自己实现密码学算法，使用经过验证的标准实现

三个密码学素养

不要发明密码学算法：即使是最优秀的密码学家也很难设计出安全的算法
不要修改密码学算法的参数：任何对标准算法的修改都可能引入安全漏洞
永远怀疑密钥的安全性：假设密钥总有一天会泄露，设计相应的应急方案

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