哈希消息认证码 (HMAC)

[English]

哈希消息认证码 (HMAC) 是一种安全的身份认证技术，支持使用预共享的密钥验证消息的真实性和完整性。利用烧录在 eFuse 块中的密钥，HMAC 可以为生成 SHA256-HMAC 提供硬件加速。

更多有关应用操作流程，及 HMAC 计算过程的详细信息，请参阅 ESP32-C3 技术参考手册 > HMAC 加速器 (HMAC) [PDF]。

通用应用方案

现有 A、B 双方，他们都需要验证对方发送消息的真实性和完整性。那么在开始发送消息前，双方应通过安全通道交换密钥。

要验证来自 A 的信息，B 可遵循以下步骤：

• A 计算要发送的消息的 HMAC。

• A 将消息及消息的 HMAC 一并发送给 B。

• B 自行计算所接收消息的 HMAC。

• B 检查接收到的 HMAC 是否与计算得出的 HMAC 匹配。

若两个 HMAC 匹配，消息为真。

但 HMAC 本身还可以应用于更多场景，如支持 HMAC 的挑战-应答协议，或作为更多安全模块（详见下文）的密钥输入等。

ESP32-C3 上的 HMAC

在 ESP32-C3 HMAC 模块的 eFuse 中会烧录一个密钥，可将该 eFuse 密钥设置为禁止所有外部资源访问，避免密钥泄露。

此外，在 ESP32-C3 上的 HMAC 有以下三种应用场景：

1. HMAC 支持软件使用

2. HMAC 用作数字签名 (DS) 的密钥

3. HMAC 用于启用软禁用的 JTAG 接口

第一种应用场景称为 上行 模式，后两种应用场景称为 下行 模式。

HMAC 的 eFuse 密钥

在 ESP32-C3 中，有六个物理 eFuse 块可用作 HMAC 的密钥，分别是块 4 到块 9。在 API 中，枚举类型 hmac_key_id_t 将这些块映射为 HMAC_KEY0 ~ HMAC_KEY5。

每个密钥都有相应的 eFuse 参数 密钥功能 (key purpose)，决定密钥应用于 HMAC 的哪种应用场景。

密钥功能	应用场景
8	HMAC 支持软件使用
7	HMAC 用作数字签名 (DS) 的密钥
6	HMAC 启用软禁用的 JTAG 接口
5	HMAC 既用作数字签名 (DS) 的密钥，又用于启用 JTAG 接口

这样一来，可以确保密钥用于原定场景。

要计算 HMAC，软件必须同时提供包含密钥的密钥块 ID，以及 密钥功能 （详情请参阅 ESP32-C3 技术参考手册 > eFuse 控制器 (eFuse) [PDF])。

在进行 HMAC 密钥计算前，HMAC 会验证软件所提供密钥块的功能。在软件所提供 ID 的对应密钥块中，eFuse 存储了密钥块的功能。只有当软件所提供密钥块的功能与 eFuse 中存储的密钥块功能匹配，才会继续进行计算。

HMAC 支持软件使用

密钥功能值：8

在此情况下，HMAC 支持软件使用，如验证消息真实性等。

psa_mac_compute() 用于计算 HMAC，该函数接收一个不透明的 PSA 密钥，该密钥引用了包含密钥机密的 eFuse 密钥块，并且该密钥块的用途被设置为上行模式。

HMAC 用作数字签名 (DS) 的密钥

密钥功能值：7、5

HMAC 可用作密钥派生函数，解码数字签名模块使用的私钥参数。在此情况下，硬件使用标准信息进行计算。在 HMAC 部分只需提供 eFuse 密钥块和功能；而在数字签名模块则还需要一些额外参数。

无论是密钥还是实际的 HMAC，都不会暴露在 HMAC 和数字签名模块之外。对 HMAC 的计算，以及将其传递给数字签名模块的过程，均在内部进行。

详情请参阅 ESP32-C3 技术参考手册 > 数字签名 (DS) [PDF]。

HMAC 启用 JTAG 接口

密钥功能值：6、5

HMAC 的第三种应用场景是将其作为密钥，启用软禁用的 JTAG 接口。

重新启用 JTAG 接口的步骤如下：

第一步：设置

1. 生成一个 256 位的 HMAC 密钥，用于重新启用 JTAG。

2. 将步骤 1 获得的密钥写入 eFuse 块，且 eFuse 块的密钥功能参数应为 HMAC_DOWN_ALL (5) 或 HMAC_DOWN_JTAG (6)。为此，可以使用固件中的 esp_efuse_write_key() 函数，或使用主机上的 idf.py efuse-burn-key 完成操作。

3. 使用 esp_efuse_set_read_protect() 将 eFuse 密钥块配置为读保护，防止软件读取写入到 eFuse 密钥块中的 HMAC 密钥值。

4. 在烧录到 ESP32-C3 上时，将特定的位或位组设置为 soft JTAG disable。这样可以永久禁用 JTAG 接口，除非软件提供正确的密钥值进行验证。

备注

API esp_efuse_write_field_cnt(ESP_EFUSE_SOFT_DIS_JTAG, ESP_EFUSE_SOFT_DIS_JTAG[0]->bit_count) 支持在 ESP32-C3 上烧录 soft JTAG disable 位。

备注

置位 DIS_PAD_JTAG eFuse 时，JTAG 处于永久禁用状态，SOFT_DIS_JTAG 功能将失效。

启用 JTAG

1. 以 eFuse 中的密钥和 32 个 0x00 字节为输入，经过 HMAC-SHA256 函数处理，得到的函数输出结果即重新启用 JTAG 的密钥。

2. 从固件调用 esp_hmac_jtag_enable() 函数时，传递上一步获取的密钥值。

3. 要在固件中重新禁用 JTAG，可以重置系统，或调用 esp_hmac_jtag_disable()。

关于如何软禁用以及重新启用 JTAG 的完整示例，请参考 security/hmac_soft_jtag。该示例演示了如何使用 HMAC 重新启用已软禁用的 JTAG 接口，包括生成 HMAC 密钥、将其烧录到 eFuse 中以及根据密钥创建令牌数据等步骤。

更多有关详情，请参阅 ESP32-C3 技术参考手册 > HMAC 加速器 (HMAC) [PDF]。

应用示例

以下为针对特定应用场景的实例代码，可用于设置 eFuse 密钥，并将其用于计算支持软件使用的 HMAC。

esp_efuse_write_key 可以设置 eFuse 中的物理密钥块 4，并设置其功能。ESP_EFUSE_KEY_PURPOSE_HMAC_UP (8) 表明，该密钥仅适用于生成支持软件使用的 HMAC。

#include "esp_efuse.h"

const uint8_t key_data[32] = { ... };

esp_err_t status = esp_efuse_write_key(EFUSE_BLK_KEY4,
                    ESP_EFUSE_KEY_PURPOSE_HMAC_UP,
                    key_data, sizeof(key_data));

if (status == ESP_OK) {
    // 密钥写入成功
} else {
    // 密钥写入失败，可能已写入过
}

接下来可以通过 PSA Crypto API，使用已存储的密钥来计算供软件使用的 HMAC。

#include "psa/crypto.h"
#include "psa_crypto_driver_esp_hmac_opaque.h"

uint8_t hmac[32];
size_t hmac_length = 0;

const char *message = "Hello, HMAC!";
const size_t msg_len = 12;

// 为 ESP-HMAC 不透明驱动设置密钥属性
psa_key_attributes_t attributes = PSA_KEY_ATTRIBUTES_INIT;
psa_set_key_usage_flags(&attributes, PSA_KEY_USAGE_SIGN_MESSAGE);
psa_set_key_algorithm(&attributes, PSA_ALG_HMAC(PSA_ALG_SHA_256));
psa_set_key_type(&attributes, PSA_KEY_TYPE_HMAC);
psa_set_key_bits(&attributes, 256);
psa_set_key_lifetime(&attributes, PSA_KEY_LIFETIME_ESP_HMAC_VOLATILE);

// 创建不透明密钥引用
esp_hmac_opaque_key_t opaque_key = {
    .use_km_key = false,
    .efuse_block = EFUSE_BLK_KEY4,
};

// 导入不透明密钥
psa_key_id_t key_id = 0;
psa_status_t status = psa_import_key(&attributes, (uint8_t *)&opaque_key,
                                     sizeof(opaque_key), &key_id);
if (status != PSA_SUCCESS) {
    // 导入密钥失败
    psa_reset_key_attributes(&attributes);
    return;
}

// 计算 HMAC
status = psa_mac_compute(key_id, PSA_ALG_HMAC(PSA_ALG_SHA_256),
                         (uint8_t *)message, msg_len,
                         hmac, sizeof(hmac), &hmac_length);

// 清理
psa_destroy_key(key_id);
psa_reset_key_attributes(&attributes);

if (status == PSA_SUCCESS) {
    // HMAC 已写入 hmac 数组
} else {
    // 计算 HMAC 失败
}

API 参考

Header File

• components/mbedtls/port/psa_driver/include/psa_crypto_driver_esp_hmac_opaque_contexts.h

• This header file can be included with:

  #include "psa_crypto_driver_esp_hmac_opaque_contexts.h"
  

• This header file is a part of the API provided by the mbedtls component. To declare that your component depends on mbedtls, add the following to your CMakeLists.txt:

  REQUIRES mbedtls
  

  or

  PRIV_REQUIRES mbedtls
  

---

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