# Mbed TLS

[English]

Mbed TLS 是一个 C 代码库，用于实现加密基元、X.509 证书操作以及 SSL/TLS 和 DTLS 协议。该库代码占用空间小，适合嵌入式系统使用。

备注

ESP-IDF 使用的 Mbed TLS 复刻仓库 中包含对原生 Mbed TLS 的补丁。这些补丁与某些模块的硬件例程有关，如 `bignum (MPI)` 和 `ECC`。

Mbed TLS 通过提供以下内容支持 TLS 1.2、TLS 1.3 和 DTLS 1.2 通信：

- TCP/IP 通信功能：监听、连接、接收、读/写。

- SSL/TLS 通信功能：初始化、握手、读/写。

- X.509 功能：CRT、CRL 和密钥处理

- 随机数生成

- 哈希

- 加密/解密

备注

Mbed TLS v3.x.x 系列仅支持 TLS 1.2 和 TLS 1.3 协议。对 SSL 3.0、TLS 1.0/1.1 和 DTLS 1.0 的支持已被删除（弃用）。从 Mbed TLS v3.6.0 版本开始完全支持 TLS 1.3，在此版本之前，某些功能仍处于试验状态。有关更多详细信息，请参阅 Mbed TLS ChangeLog 。

## Mbed TLS 文档

Mbed TLS 文档请参阅以下（上游）指针：

- API Reference

- Knowledge Base

## ESP-IDF 的 Mbed TLS 支持

请在 此处 查找 ESP-IDF 不同分支上的 Mbed TLS 版本信息。

备注

参考 Mbed TLS 从 Mbed TLS 2.x 版本迁移到 3.0 及以上版本。

### 预设配置

ESP-IDF 为 Mbed TLS 提供了基于预设的配置系统，用于简化设置并为不同的应用场景提供优化后的初始配置。这套系统可以和现有的手动配置方式一同使用，先提供基础配置，然后可通过 menuconfig 或其他配置文件对其进行自定义。

预设 | 使用场景 | 主要特性
--- | --- | ---
默认 | 通用应用 | 支持 TLS 1.2 和 1.3 启用证书包 硬件加速 支持完整的加密算法套件
最小化 | 资源受限应用 | 仅 TLS 1.2 客户端 RSA 和 PSK 密钥交换 AES-128 CBC/CTR 模式 基本的 X.509 解析
蓝牙 (BT) | 蓝牙应用 | 针对低功耗蓝牙安全性需求进行优化 支持 ECC P-256 曲线 最小的 TLS 开销 蓝牙特定算法

### 使用预设配置

预设配置是 mbedTLS 配置的 起点，你可以直接使用，也可以借助 ESP-IDF 提供的标准配置方式对其进一步自定义。

要使用预设配置，请在调用 `project()` 之前，先在项目的 `CMakeLists.txt` 文件中添加以下代码：

    # 包含默认预设（适用于大多数应用）
    list(APPEND sdkconfig_defaults $ENV{IDF_PATH}/components/mbedtls/config/mbedtls_preset_default.conf)

    # 适用于资源受限的应用
    list(APPEND sdkconfig_defaults $ENV{IDF_PATH}/components/mbedtls/config/mbedtls_preset_minimal.conf)

    # 适用于蓝牙应用
    list(APPEND sdkconfig_defaults $ENV{IDF_PATH}/components/mbedtls/config/mbedtls_preset_bt.conf)

    # 标准的 ESP-IDF 项目设置
    include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake)
    project(my_project)

备注

预设配置存放于 `components/mbedtls/config/` 中，你可以自定义预设配置或将其作为基础模板使用。

### 自定义预设配置

在应用预设后，你可以使用以下任一种方法进一步自定义配置：

方法 1：使用 menuconfig（推荐）

    # 在 CMakeLists.txt 中应用预设后
    idf.py menuconfig

前往 `Component Config` > `mbedTLS` 修改设置，你的更改将覆盖预设的默认值。

方法 2：通过其他配置文件

也可以通过创建其他配置文件，将预设与自定义的配置相结合：

    # 基于最小预设，添加自定义设置
    list(APPEND SDKCONFIG_DEFAULTS
        $ENV{IDF_PATH}/components/mbedtls/config/mbedtls_preset_minimal.conf
        ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/my_custom_mbedtls.conf
    )

### 从手动配置迁移

预设系统对手动配置进行了补充。假设目前你手动配置了 mbedTLS：

选项 1：保留当前配置

当前的手动配置无需任何更改即可工作。

选项 2：迁移到预设并对其进行自定义

1. 选择基础预设，该预设最接近你当前的配置。

2. 在 `CMakeLists.txt` 中 应用预设。

3. 使用 menuconfig 调整设置，匹配需求。

4. 全面测试 以确保功能完整。

### 配置类别

新的 mbedTLS 配置系统按逻辑进行分类，便于查找：

核心配置

  包括内存分配、线程和调试选项的基本 mbedTLS 设置。

TLS 协议配置

  TLS/DTLS 协议版本、模式（客户端/服务器）和特定协议的功能。

对称加密算法

  块密码（AES、ARIA 等）、加密算法模式（CBC、GCM 等）和对称密码学。

非对称加密算法

  RSA、ECC 和其他公钥密码学算法。

哈希函数

  消息摘要算法（SHA-256、SHA-512 等）和 HMAC。

硬件加速

  为加密操作提供 ESP32 专用的硬件加速支持。

证书支持

  X.509 证书解析、验证和证书包管理。

## PSA ITS 自定义存储后端

ESP-IDF 的 PSA 内部可信存储 (Internal Trusted Storage, ITS) 实现默认使用 NVS 作为持久化 PSA Crypto 密钥的存储后端。自定义存储后端功能允许将保留范围内的 PSA 密钥 ID 路由到用户提供的存储实现，而其他密钥继续使用 NVS。

适用场景包括：

- 某些密钥需要存储在不同的文件系统中（如 FATFS、SPIFFS、littlefs）

- 密钥需要硬件保护的加密存储（例如通过 TEE 安全存储）

- 不同类别的密钥需要使用不同的存储分区

### 启用自定义后端

通过 `menuconfig` 在 `Component Config` > `mbedTLS` 中启用该功能：

- CONFIG_MBEDTLS_PSA_ITS_CUSTOM_STORAGE_BACKEND：启用自定义存储后端

- CONFIG_MBEDTLS_PSA_ITS_CUSTOM_BACKEND_UID_MIN：自定义密钥 ID 范围的起始值（默认 `0x30000000`）

- CONFIG_MBEDTLS_PSA_ITS_CUSTOM_BACKEND_UID_MAX：自定义密钥 ID 范围的结束值（默认 `0x3FFFFFFF`）

配置范围内的 PSA 密钥 ID 会被路由到已注册的后端。其他所有密钥 ID（以及随机种子等 PSA 内部数据）继续使用默认的 NVS 后端。

### 实现自定义后端

实现 `esp_psa_its_custom_ops_t` 回调结构体，并在使用自定义范围内的 PSA Crypto 密钥之前进行注册：

    #include "esp_psa_its.h"

    static psa_status_t my_set(void *ctx, const psa_storage_uid_t uid,
                               const uint32_t data_length, const void *p_data,
                               const psa_storage_create_flags_t create_flags)
    {
        /* 存储 uid 对应的 blob */
    }

    static psa_status_t my_get(void *ctx, const psa_storage_uid_t uid,
                               const uint32_t data_offset, const uint32_t data_length,
                               void *p_data, size_t *p_data_length)
    {
        /* 读取 uid 对应的 blob */
    }

    static psa_status_t my_get_info(void *ctx, const psa_storage_uid_t uid,
                                    struct psa_storage_info_t *p_info)
    {
        /* 返回 uid 对应 blob 的大小和标志位 */
    }

    static psa_status_t my_remove(void *ctx, const psa_storage_uid_t uid)
    {
        /* 删除 uid 对应的 blob */
    }

    static esp_psa_its_custom_ops_t my_ops = {
        .set      = my_set,
        .get      = my_get,
        .get_info = my_get_info,
        .remove   = my_remove,
        .ctx      = NULL,  /* 可选的用户上下文 */
    };

    /* 在使用自定义范围内的 PSA 密钥之前注册 */
    esp_psa_its_register_custom_backend(&my_ops);

回调函数的签名与 PSA ITS API 保持一致。每个回调接收原始的 `psa_storage_uid_t`（而非字符串），允许实现根据数值型密钥 ID 进行路由决策。`ctx` 指针会作为第一个参数传递给每个回调。

备注

只有持久化密钥会经过 ITS 层。PSA 要求持久化密钥必须调用 `psa_set_key_id()`，因此应用程序始终可以控制分配哪些密钥 ID，进而决定它们落在哪个范围内。

如有需要，后端实现需自行处理 `psa_storage_create_flags_t` 的语义。

### 处理 PSA 密钥文件格式

通过 `psa_its_set()` / `psa_its_get()` 传输的字节流采用 Mbed TLS 存储规范中描述的 PSA 持久密钥文件格式。原样存储该 blob 的后端无需查看其内容；在写入时剥离头部以节省空间，或在读取时合成 blob 的后端（例如，将预配置的硬件密钥暴露为持久 PSA 密钥）则需要自行构造或解析。

为此，ESP-IDF 在 `esp_psa_key_file.h` 中提供以下辅助函数：

- `esp_psa_key_file_pack()` —— 将 `psa_key_attributes_t` 结构和原始密钥字节封装为密钥 blob。

- `esp_psa_key_file_unpack()` —— 将密钥 blob 解析回属性以及指向密钥字节段的指针。

- `esp_psa_key_file_size()` —— 根据给定的密钥字节长度返回 blob 的总大小。

这些辅助函数直接实现规范文档中描述的字节布局，不依赖任何 Mbed TLS 内部函数。例如，仅存储内部密钥字节的后端可以在读取时重建 blob：

    #include "esp_psa_key_file.h"

    psa_key_attributes_t attr = PSA_KEY_ATTRIBUTES_INIT;
    psa_set_key_lifetime(&attr, PSA_KEY_LIFETIME_PERSISTENT);
    psa_set_key_type(&attr, PSA_KEY_TYPE_AES);
    psa_set_key_bits(&attr, key_data_len * 8);
    psa_set_key_usage_flags(&attr, PSA_KEY_USAGE_ENCRYPT | PSA_KEY_USAGE_DECRYPT);
    psa_set_key_algorithm(&attr, PSA_ALG_CBC_NO_PADDING);

    size_t blob_size = esp_psa_key_file_size(key_data_len);
    uint8_t *blob = calloc(1, blob_size);
    size_t written = 0;
    esp_psa_key_file_pack(&attr, key_data, key_data_len, blob, blob_size, &written);
    /* blob 现在包含完整的 PSA 持久密钥文件；按 psa_its_get() 的 offset/length
     * 参数将所请求的窗口复制到 p_data。 */

完整的可运行示例（使用自定义 NVS 命名空间作为自定义后端）请参考 security/psa_its_custom_backend。

## 应用示例

ESP-IDF 中的示例使用 ESP-TLS，为访问常用的 TLS 功能提供了简化的 API 接口。

参考示例 protocols/https_server/simple （简单的 HTTPS 服务器）和 protocols/https_request （发起 HTTPS 请求）了解更多信息。

如需直接使用 Mbed TLS API，请参考示例 protocols/https_mbedtls。该示例演示了如何用 Mbed TLS 创建 HTTPS 连接。具体做法是配置安全的套接字，并使用证书包进行验证。

protocols/smtp_client 示例演示了如何使用 Mbed TLS API，通过带有 STARTTLS 的 SMTP 发送电子邮件（包括附件）。

## 重要配置

Mbed TLS 配置系统支持预设配置。`Component Config` > `mbedTLS` 中的部分重要配置选项如下所示。点击 此处 获取完整配置选项列表。

核心配置：

- CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_SHA：支持硬件 SHA 加速

- CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_AES：支持硬件 AES 加速

- CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_MPI：支持硬件 MPI（大数）加速

- CONFIG_MBEDTLS_MEM_ALLOC_MODE：内存分配策略（内部/外部/自定义）

- CONFIG_MBEDTLS_ASYMMETRIC_CONTENT_LEN：用于内存优化的非对称输入/输出片段长度

- CONFIG_MBEDTLS_DYNAMIC_BUFFER：启用动态 TX/RX buffer 分配

- CONFIG_MBEDTLS_DEBUG：启用 mbedTLS 调试（有助于调试）

TLS 协议配置：

- CONFIG_MBEDTLS_TLS_ENABLED：启用 TLS 协议支持

- CONFIG_MBEDTLS_SSL_PROTO_TLS1_2：支持 TLS 1.2（推荐）

- CONFIG_MBEDTLS_SSL_PROTO_TLS1_3：支持 TLS 1.3（最新标准）

- CONFIG_MBEDTLS_SSL_PROTO_DTLS：支持基于 UDP 的 DTLS

- CONFIG_MBEDTLS_CLIENT_SSL_SESSION_TICKETS：支持 TLS 会话恢复（客户端会话票据）

- CONFIG_MBEDTLS_SERVER_SSL_SESSION_TICKETS：支持 TLS 会话恢复（服务器会话票据）

- CONFIG_MBEDTLS_SSL_ALPN：支持应用层协议协商

- CONFIG_MBEDTLS_SSL_SERVER_NAME_INDICATION：支持服务器名称指示 (SNI)

证书支持：

- CONFIG_MBEDTLS_CERTIFICATE_BUNDLE：支持受信任的根证书包（详情请参阅 ESP x509 证书包）

- CONFIG_MBEDTLS_X509_USE_C：启用 X.509 证书支持

- CONFIG_MBEDTLS_PEM_PARSE_C：读取并解析 PEM 格式的证书

- CONFIG_MBEDTLS_PEM_WRITE_C：编写 PEM 格式的证书

- CONFIG_MBEDTLS_X509_CRT_PARSE_C：解析 X.509 证书

- CONFIG_MBEDTLS_X509_CRL_PARSE_C：解析 X.509 证书吊销列表

加密算法：

- CONFIG_MBEDTLS_AES_C：支持 AES 块密码

- CONFIG_MBEDTLS_RSA_C：RSA 公钥密码系统

- CONFIG_MBEDTLS_ECP_C：支持椭圆曲线密码学

- CONFIG_MBEDTLS_ECDSA_C：椭圆曲线数字签名算法

- CONFIG_MBEDTLS_ECDH_C：椭圆曲线 Diffie-Hellman 密钥交换

- CONFIG_MBEDTLS_SHA256_C：SHA-256 哈希函数

- CONFIG_MBEDTLS_SHA512_C：SHA-512 哈希函数

- CONFIG_MBEDTLS_GCM_C：Galois/Counter 模式用于认证加密

备注

新的配置结构将各项配置按照“核心配置”、“TLS 协议配置”、“对称加密算法”、“非对称加密算法”、“哈希函数”和“硬件加速”等类别进行分类，便于查找和管理配置。

### 调试 mbedTLS

为启用调试，请添加以下配置：

    CONFIG_MBEDTLS_DEBUG=y
    CONFIG_MBEDTLS_DEBUG_LEVEL=3
    CONFIG_LOG_DEFAULT_LEVEL_DEBUG=y

### 性能优化

为获得最佳性能，请尽可能 启用硬件加速：

    CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_AES=y
    CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_SHA=y
    CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_MPI=y
    CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_ECC=y

## 性能和内存调整

### 减少内存使用

下表展示了在不同配置下，用 Mbed TLS 作为 SSL/TLS 库运行示例 protocols/https_request （启用服务器验证）时，内存的实际使用情况。

Mbed TLS 测试 | 相关配置 | 堆使用（近似值）
--- | --- | ---
默认 | NA | 42196 B
启用 SSL 动态 buffer 长度 | CONFIG_MBEDTLS_SSL_VARIABLE_BUFFER_LENGTH | 42120 B
禁用保留对端证书 | CONFIG_MBEDTLS_SSL_KEEP_PEER_CERTIFICATE | 38533 B
启用动态 TX/RX buffer | CONFIG_MBEDTLS_DYNAMIC_BUFFER CONFIG_MBEDTLS_DYNAMIC_FREE_CONFIG_DATA :CONFIG_MBEDTLS_DYNAMIC_FREE_CA_CERT | 22013 B

备注

这些值会随着配置选项和 Mbed TLS 版本的变化而变化。

### 减小固件大小

在 `Component Config` > `mbedTLS` 配置中，多个 Mbed TLS 功能已默认启用。如无需使用，可以禁用以减小固件大小。详情请参阅 最小化固件大小。

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