# 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-S2 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-S2 上的 HMAC

在 ESP32-S2 上，HMAC 模块会使用烧录到 eFuse 中的密钥。

可将该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-S2 上的 HMAC 有以下三种应用场景：

1. HMAC 支持软件使用

2. HMAC 用作 RSA 数字签名外设 (RSA_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-S2 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 RSA 数字签名外设 (RSA_DS) 的密钥
6 | HMAC 启用软禁用的 JTAG 接口
5 | HMAC 既用作 RSA 数字签名外设 (RSA_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-S2 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 RSA 数字签名外设 (RSA_DS) 的密钥

密钥功能值：7、5

HMAC 可用作密钥派生函数，解码 RSA_DS 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 RSA_DS 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 RSA_DS 模块之外。对 HMAC 的计算，以及将其传递给 RSA_DS 模块的过程，均在内部进行。

详情请参阅 ESP32-S2 技术参考手册 > RSA 数字签名外设 (RSA_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-S2 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_bit(ESP_EFUSE_SOFT_DIS_JTAG) 支持在 ESP32-S2 上烧录 `soft JTAG disable` 位。

备注

置位 `HARD_DIS_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-S2 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。

使用 eFuse 存储 HMAC 密钥：

`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。

使用基于 eFuse 的 HMAC 密钥：

    #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);

    // 为基于 eFuse 的密钥创建不透明密钥引用
    esp_hmac_opaque_key_t opaque_key = {
        .efuse_key_id = HMAC_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
    }

备注

ESP-HMAC 不透明 PSA 驱动基于单次硬件 HMAC 外设实现，该外设可以通过单次运算为完整消息计算消息认证码 (MAC)，但无法在多次调用之间保存或恢复运算中间状态。因此，该驱动不支持多分段流式运算：须在单次 `psa_mac_compute()` 调用中传入完整消息（如上所示），或仅执行一次多分段更新操作。若对同一 MAC 运算操作发起第二次非空更新，会返回 `PSA_ERROR_BAD_STATE` 错误，且该操作会直接失败并关闭，不会基于部分消息生成对应的 MAC 结果。

## 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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