数据传输安全策略--公钥-私钥

1.简介

在实际使用过程中，在遇到一些重要场合，需要加密存储或者传输一些数据到服务器，这个流程中，有两个地方可能需要重点关注。结合不同场景，安全汇总到2个方案。

1.1 数据传输安全

数据传输安全，对于HTTP明文传输而言，HTTPS属于较优解决方案，这个过程中可以，有效防止数据泄漏。但是要注意HTTPS，主要场景是针对传输安全，也就是，固件和服务器通信，通过非对称加密，先确保对端的身份，再协商对称加密的密钥，然后进行对称加密传输内容。 实际开发过程中： 主要是嵌入式开发场景，由于存储根证书需要较多空间，很多平台会阉割掉，证书校验。部分黑客就会利用这个漏洞，伪造服务端，侵入网络后，会对这个传输数据进行篡改，导致异常问题出现。这个我在实践中遇到，某些芯片厂商的sdk里面，未对服务器证书进行有效校验，导致伪造服务器下发数据到固件。【备注：欧洲18031，遇到了，这种场景】

1.2 数据加密安全

针对上面这种场景，其实一旦不认证，就有可能导致https传输的数据，被截获，修改，所以对https传输数据进行加密也很重要，在以往的经验中，对数据进行加密，有涉及到，如何有效的协商一个加密的密钥，这个密钥不能网络传输（有风险），所以有涉及到无需传输对称密钥，客户端、服务器端进行协商对称密钥。这种方法有多种，比如UECC库、mbedtls ecc库。都可以有效的进行密钥协商。

下面我们就先重点关注，如何进行不传输密钥下，固件和服务器端协商一个对称加密的密钥。也是要保证固件唯一性，每个固件都有不同的私钥。

2. 实际案例

首先使用最简单的 UECC进行实现，先了解一下公钥私钥概念公钥和私钥是通过密码学算法（如 uECC 基于的 ECC 椭圆曲线算法）生成的一对 “数学关联但无法互推” 的数据，两者的核心特征完全相反。简述：UECC库可以采用的是ECDH（椭圆曲线迪菲 - 赫尔曼）密钥协商算法，通过自身私钥+对端的公钥，生成一个对称密钥，从而用于加密数据。

// 初始化随机数种子，确保每次运行生成不同随机数
    srand((unsigned int)time(NULL));
    //RNG函数---一定要随机性高，可以硬件生成或者硬件AD采集噪声生成
    uECC_set_rng(&RNG);

    // 选择ECC曲线：这里用secp160r1（160位椭圆曲线）
    const struct uECC_Curve_t * curve = uECC_secp160r1();

    // 定义私钥和公钥缓冲区（大小由曲线决定）
    uint8_t private1[20];// secp160r1私钥为20字节（160位）
    uint8_t private2[20];

    uint8_t public1[40];// 未压缩公钥为40字节（x和y坐标各20字节）
    uint8_t public2[40];

    uint8_t secret1[20];// 存储第一方计算的共享密钥
    uint8_t secret2[20];// 存储第二方计算的共享密钥


    // 生成第一对密钥：public1（公钥）由private1（私钥）推导
    uECC_make_key(public1, private1, curve);
    printf("---create private key: \r\n");
    for(int i=0; i < 20; ++i)
    {
        printf("%hhx", private1[i]);//十六精致小写
    }
    printf("\r\n");
    printf("---create public key: \r\n");
    for(int i=0; i < 40; ++i)
    {
        printf("%hhx", public1[i]);
    }
    printf("\r\n");

    // 生成第二对密钥：public2（公钥）由private2（私钥）推导
    uECC_make_key(public2, private2, curve);

    // 第一方用自己的私钥（private1）和对方的公钥（public2）计算共享密钥
    int r = uECC_shared_secret(public2, private1, secret1, curve);
    if (!r) {
        printf("shared_secret() failed (1)\n");
        return 0;
    }
    printf("-calculate secret1: ");
    for(int i =0;i<20;++i)
    {
        printf("%hhx",secret1[i]);
    }
    printf("\r\n");

//-------------------计算共享密钥（ECDH 核心）-------------------//
    // 生成第二对密钥：public2（公钥）由private2（私钥）推导
    r = uECC_shared_secret(public1, private2, secret2, curve);

    if (!r) {
        printf("shared_secret() failed (2)\n");
        return 0;
    }
    printf("-calculate secret2: ");
    for(int i =0;i<20;++i)
    {
        printf("%hhx",secret2[i]);
    }
    printf("\r\n");

    // 比较两个共享密钥是否相同
    //若相同，说明 ECDH 协商成功，双方可基于此密钥进行对称加密通信。
    if (memcmp(secret1, secret2, 20) != 0) {
        printf("Shared secrets are not identical!\n");
    } else {
        printf("Shared secrets are identical\n");
    }

上面的demo实际例子，用在嵌入式场景就比如，固件端要存储一个私钥，这个私钥需要存放在加密区域，不能被随意获取，固件端的公钥，需要注册记录到服务器端，在服务器端在通信过程中，通过其它信息（比如IMEI,SN字段），获取到对应的公钥，这样固件端在对传输数据加密处理过程中，就可以用自身私钥+服务器给的公钥，协商对称密钥，再对数据进行AES等对称加密传输给服务端，服务端，通过服务器私钥+查询到固件的公钥，协商对称密钥，解密数据。从而完成对数据的加密、解密操作。

3.反思优化

上面的方案中，也有一个非常明显的缺陷，那就是一旦这个固件的私钥发生泄漏，或破解，对于高安全场景而言，以往的所有数据都会被解密，这个时候，就需要进一步优化，引入临时的密钥对。

4.改进策略

如果使用长期的私钥+对端公钥，进行ECDH，协商密钥的话，每次通信都是一个固定的对称密钥，一旦泄漏，也是会导致通信破解。因此需要，进一步保证每次会话都使用新的对称密钥。

1）固件和服务器，生成长期密钥对，将长期固定公钥给到服务端（录入系统），服务端的长期公钥写入固件本地
2）固件通信时，生成一个临时密钥对，将固件临时公钥 + 使用固件长期私钥签名的固件临时公钥，同步给到服务器
3）服务器使用固件端的长期公钥，验证收到的临时公钥，保证这个临时公钥没有被篡改。
4）确认没有篡改后，进行固件临时私钥+服务器的临时公钥，做ECDH，协商临时通信的对称密钥
5）这个密钥可以在处理一下，对通信数据进行对称加密（国内SM4\国外AES） 核心总结：
1、不是用长期公私钥算对称密钥，是用临时密钥对做 ECDH 协商
2、长期密钥只负责签名验签、身份认证（也就是验证临时生成的公钥，传输中是否又被修改）

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