Curve25519加密解密

本文介绍了如何使用Curve25519进行加密解密,强调了其在安全性上的重要性。在前端和后端交互过程中,通过生成各自的公钥和私钥,利用Curve25519算法交换公钥并生成共享密钥,然后使用共享密钥进行AES加密和解密,确保数据的安全传输。提供的Demo可以帮助开发者理解并实现这一过程。

Curve25519加密解密

出于安全性的考虑,在原本明文传输的基础上需要对传输内容进行加密,首先,curve25519是一个不对称加密算法,需要前后端相配合,双方一起使用该加密算法,逻辑如下:

  • 前端使用generateKeyPair得到自己的公钥和私钥,用自己前端的公钥去交换后端的公钥

  • 后端使用generateKeyPair得到自己的公钥和私钥,将后端的公钥返回给前端,同时,用自己的私钥和前端的公钥生成shareKey

  • 前端用前端的私钥和后端的公钥生成前端的shareKey

  • 前端用shareKey将请求进行加密,在使用AES进行第二次加密

  • 后端首先使用AES进行解密,再使用生成的shareKey对前端的请求进行第二次解密,格式符合要求则,使用shareKey进行加密,然后AES加密,传输给前端

  • 前端拿到数据,第一步使用AES进行解密,第二步使用shareKey进行解密

在这里插入图片描述

Demo

Demo中需要引入的可以在github上下载: https://github.com/zhengyixun/Curve25519

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Title</title>
</head>
<body>
1365
</body>
<script src="index.js"></script>
<script>
    window.onload=function(){
        // Uint8Array 转字符串
        function Uint8ArrayToString(fileData){
            var dataString = "";
            for (var i = 0; i < fileData.length; i++) {
                dataString += String.fromCharCode(fileData[i]);
            }
            return dataString
        }
        // 字符串 转 Uint8Array
        function stringToUint8Array(str) {
            var arr = [];
            for (var i = 0, j = str.length; i < j; ++i) {
                arr.push(str.charCodeAt(i));
            }
            var tmpUint8Array = new Uint8Array(arr);
            return tmpUint8Array
        }

        //要加密的内容
        var msg = stringToUint8Array('asdfd');
        console.log(msg);

        //从给定的32字节密钥种子生成新密钥对
        var seed = axlsign.generateKeyPair(new Uint8Array(32));
        var private_key = seed.private; //私钥
        var public_key = seed.public;  //公钥

        //使用私钥对给定消息进行签名并返回签名。 可选的随机数据参数(必须具有64个随机字节)打开哈希分离和随机化,以使签名不确定。
        //参数: 私钥 要加密的内容
        var signature = axlsign.sign(private_key,msg);

        console.log(signature);
        //参数: 公钥 加密之前的内容 加密后返回的签名  true 正确  false 错误
        var f = axlsign.verify(public_key,msg,signature);
        console.log("验证签名: "+f);
        //使用私钥对给定消息进行签名,并返回签名消息(与消息副本连接的签名)。
        //参数: 私钥 要解密的内容 ,,也可以跟第三个参数随机数
        var signedMessage = axlsign.signMessage(private_key,msg);

        //解密使用公钥 解密成功返回揭秘之后的内容,解密失败,返回null
        //参数: 公钥 加密之后的内容
        var openMessage = axlsign.openMessage(public_key,signedMessage);

        console.log("加密之前的内容: "+Uint8ArrayToString(openMessage));

        //计算shareKey 返回自己的私钥和对等公钥之间的原始共享密钥 结果不应直接用作密钥,而应使用单向函数处理
        var shareKey = axlsign.sharedKey(private_key,public_key);
        console.log(shareKey)
    };
</script>
</html>
在 **Cortex-M0 MCU** 上使用 **Curve25519** 进行 **固件签名和加密** 是一种高效且安全的实现方式,尤其适用于资源受限、低功耗或嵌入式物联网设备。虽然 Curve25519 本身主要用于密钥交换(ECDH),但结合其他机制(如 Ed25519)可以实现完整的数字签名功能。 --- ## ✅ 系统架构概览 | 模块 | 功能 | |------|------| | 主机端(PC/服务器) | 使用 Ed25519 签名固件 | | MCU 端(M0) | 验证签名 + 解密固件(可选) | | 加密算法 | Curve25519(ECDH 密钥交换) | | 签名算法 | Ed25519(基于 Curve25519 的扩展) | --- ## 🧩 技术原理与流程 ### 🔐 1. 固件签名(主机端) 使用 **Ed25519** 对固件进行签名: ```bash # 示例:使用 OpenSSL 或 libsodium 工具签名 openssl dgst -sign private_key.pem -keyform PEM -sha512 -out firmware.sig firmware.bin ``` 或者使用 [libsodium](https://doc.libsodium.org/signatures): ```c crypto_sign_detached(sig, &sig_len, firmware, firmware_len, secret_key); ``` > Ed25519 是基于 Curve25519 的签名方案,安全性高且计算效率好。 --- ### 🔍 2. 固件验证(MCU 端 M0) 在 Cortex-M0 上使用 mbed TLS 或 TinyCrypt 验证签名: #### ✅ 使用 mbed TLS 验证 Ed25519 签名(需启用 MBEDTLS_USE_TINYCRYPT) ```c #include "mbedtls/pk.h" #include "mbedtls/sha512.h" mbedtls_pk_context pk; mbedtls_pk_init(&pk); // 加载公钥(DER 格式) mbedtls_pk_parse_public_key(&pk, public_key_der, public_key_len); // 计算固件哈希(SHA-512) unsigned char hash[64]; mbedtls_sha512(firmware_data, firmware_len, hash, 0); // 验证签名 int ret = mbedtls_pk_verify_ext(MBEDTLS_PK_ECKEY, MBEDTLS_MD_SHA512, hash, 64, MBEDTLS_PK_SIGNATURE_ECDSA, signature, signature_len, &pk); if (ret == 0) { // 签名有效,继续升级 } ``` --- ### 🔐 3. 固件加密(可选) 若需对固件加密传输,可使用 Curve25519 实现 ECDH 密钥交换: #### 步骤: 1. 主机与 MCU 各自生成 Curve25519 密钥对 2. 双方交换公钥并计算共享密钥(32 字节) 3. 使用共享密钥 + AES-GCM 或 ChaCha20-Poly1305 加密/解密固件 #### 示例代码片段(ECDH 共享密钥生成): ```c mbedtls_ecdh_context ecdh; mbedtls_ecp_group_load(&ecdh.grp, MBEDTLS_ECP_DP_CURVE25519); mbedtls_ecdh_make_public(&ecdh, &olen, pub_key, sizeof(pub_key), mbedtls_entropy_func, NULL); mbedtls_ecdh_calc_secret(&ecdh, &olen, shared_secret, sizeof(shared_secret), mbedtls_entropy_func, NULL); ``` --- ## 📦 推荐工具链与库 | 组件 | 描述 | |------|------| | **mbed TLS** | 支持 Ed25519 / Curve25519(需启用 MBEDTLS_USE_TINYCRYPT) | | **TinyCrypt** | 轻量级 Ed25519 / Curve25519 实现 | | **libsodium** | 主机端签名推荐 | | **STM32CubeMX + HAL** | STM32 平台开发支持 | | **OpenOCD / J-Link** | 调试与烧录支持 | --- ## ⚙️ 性能参考(STM32F0 @48MHz) | 操作 | 时间估算 | |------|-----------| | Ed25519 签名验证 | ~150ms | | Curve25519 ECDH 公钥生成 | ~30ms | | Curve25519 共享密钥计算 | ~60ms | | AES-GCM 解密 1KB 数据 | ~2ms | --- ## ✅ 安全建议 - 使用签名机制防止非法固件更新 - 在 MCU 中存储公钥(防篡改) - 若需加密通信,应使用 ECDH + AES/ChaCha20 - 禁用调试接口(如 SWD)防止逆向分析 - 使用 Flash 保护机制防止读出私钥 --- ## 📝 总结 在 **Cortex-M0** 上使用 **Curve25519/Ed25519** 实现固件签名和加密是一种兼顾安全性与性能的方案,特别适合以下场景: - OTA 升级验证 - 设备身份认证 - 安全启动 - 安全通信通道建立 ---
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