从物理指纹到密钥安全：安全芯片如何保证密钥安全存储？

最新推荐文章于 2025-11-24 09:25:49 发布

原创最新推荐文章于 2025-11-24 09:25:49 发布 · 584 阅读

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在安全芯片的应用里，密钥就像一把 “数字钥匙”—— 无论是设备间的身份认证、敏感数据的加密传输，还是固件升级的签名验证，都离不开它。但这把 “钥匙” 要是丢了、被复制了，整个系统的安全防线就会瞬间崩塌。传统的密钥存储方式，比如直接存在 Flash 或 EEPROM 里，哪怕加了层层加密，一旦遇到物理拆解、侧信道攻击，密钥还是可能被 “扒走”。

而带 PUF（物理不可克隆函数）的安全芯片，搭配非对称算法，就能从根本上解决这个问题。今天我们就聊聊这种组合是怎么实现密钥 “既安全又好用” 的。

PUF 和非对称算法

PUF 可以理解为芯片的 “物理指纹”。芯片在生产过程中，哪怕用的是同一个模板，材料的微观差异（比如硅晶体的缺陷、导线的细微电阻差异）都是随机且不可复制的。这些差异会让芯片对特定电信号的响应呈现独特性 —— 就像每个人的指纹独一无二，每颗芯片的 PUF 特征也是独一份的。更重要的是，这种 “指纹” 无法被人工复制，就算拿到同批次的芯片，也仿不出另一颗完全一样的 PUF 特征。

而非对称算法，简单说就是 “一把锁配一把钥匙” 的机制。它会生成一对密钥：公钥和私钥。公钥可以像 “公共锁” 一样对外公开，谁都能用它给数据 “上锁”（比如加密信息、验证签名）；但只有对应的私钥能 “开锁”（解密信息、生成签名），而且私钥一旦生成，就只能留在芯片内部，绝不对外泄露。我们常用的国密 SM2、国际上的 ECC，都属于非对称算法。

为什么

把 PUF 和非对称算法一起使用？

传统密钥存储的最大风险，在于 “静态存储”—— 无论怎么加密，密钥总有一个 “固定的藏身之处”。比如存在 Flash 里的密钥，哪怕用了 AES 加密，攻击者只要耐心破解加密算法，或者通过侧信道分析（比如监测芯片工作时的电流、电磁变化），就能一点点 “抠” 出密钥。

但 PUF 的特性是 “无静态存储”。它的 “物理指纹” 不是预先存在某个地方的，而是芯片上电后，通过特定电路（比如环形振荡器、SRAM 单元）“实时生成” 的。这就意味着，攻击者就算把芯片拆得七零八落，也找不到一个 “存储密钥的地方”—— 因为密钥根本没被存起来，而是动态生成的。

而非对称算法则解决了 “密钥怎么用” 的问题。公钥可以放心对外传，私钥只在芯片内部干活，不用出门，自然减少了泄露风险。把两者结合，就形成了 “动态生成、内部使用、无法复制” 的密钥安全闭环。

密钥生成到使用的全流程

带 PUF 的安全芯片结合非对称算法存储密钥，核心思路是 “用 PUF 的物理特征当‘根’，用非对称算法生‘枝叶’”，整个过程可以分成四步：

第一步，芯片上电时，PUF 先 “亮明身份”。芯片通电后，PUF 电路会自动检测自身的物理特征（比如不同环形振荡器的频率差、SRAM 上电时的随机状态），经过校准算法（抵消温度、电压波动的影响）后，生成一个稳定的 “根特征值”。这个值就像树干，是后续所有密钥的源头。

第二步，从 “根” 上长出私钥和公钥。安全芯片会用这个根特征值，通过非对称算法的密钥生成函数，“长” 出一对非对称密钥：私钥和公钥。这里的关键是，私钥只在芯片内部的寄存器里临时存在，用完就消失，不会写入任何可持久化存储的区域（比如 Flash）；公钥则可以像 “名片” 一样导出，供外部系统使用（比如发给其他设备用于加密数据）。

第三步，用的时候再 “实时长出来”。当需要用私钥做加密、签名时，芯片不用去 “找” 存储的私钥 —— 毕竟它本来就没存。而是重新通过 PUF 生成根特征值，再用同样的算法快速衍生出私钥，用完后立即清除寄存器里的临时值。就像每次用钥匙时，都从 “指纹” 里临时造一把，用完就销毁，永远不会留下钥匙的 “实体”。

第四步，公钥负责 “对外沟通”。比如设备 A 要给设备 B 发加密数据，设备 B 会先把自己的公钥发给 A，A 用这个公钥加密数据后发送；设备 B 收到后，通过 PUF 生成根特征值，衍生出私钥，再解密数据。整个过程中，私钥始终没离开过设备 B 的芯片内部。