mbedTLS RSA 加密解密示例

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功能说明

演示如何使用 mbedTLS 库进行 RSA 加密、解密、签名和验证操作。本示例展示了 RSA 密钥的导入（或生成）、PKCS#1 加密解密、以及基于 SHA1 的签名和验证功能。

RSA 是一种非对称加密算法，广泛用于数据加密和数字签名。

硬件连接

无需外部连接，mbedTLS 为纯软件加密库。如果启用硬件加速（CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_MPI_MODULAR_EXPONENTIATION=y），可以使用硬件加速的模幂运算。

示例内容

1. 初始化随机数生成器（CTR_DRBG）和熵源

2. 初始化 RSA 上下文（使用 PKCS#1 v2.1 填充和 SHA256）

3. 密钥处理（根据 IS_GENERATE_KEY 宏）：

   • 如果 IS_GENERATE_KEY == 0：从预定义的十六进制字符串导入 RSA 密钥（支持 1024、2048、4096、8192 位）

   • 如果 IS_GENERATE_KEY == 1：生成新的 2048 位 RSA 密钥对

4. 打印 RSA 密钥对信息（N, E, D, P, Q, DP, DQ, QP）

5. 加密解密测试：

   • 使用公钥加密消息 “Hello, World!”

   • 使用私钥解密加密后的数据

   • 验证解密结果与原始消息一致

6. 签名验证测试：

   • 计算消息的 SHA1 哈希值

   • 使用私钥对哈希值进行签名

   • 使用公钥验证签名

编译

重要提示：在编译前，请先确认您使用的开发板型号。SDK 目前支持以下开发板：

• arcs_evb - ARCS EVB 评估板

• arcs_mini - ARCS Mini 开发板

根据您的开发板型号，选择对应的编译命令：

在示例目录下执行编译:

# 使用 arcs_evb 开发板
./build.sh -C -DBOARD=arcs_evb

# 或使用 arcs_mini 开发板
./build.sh -C -DBOARD=arcs_mini

Note

如果在 SDK 根目录执行，需要指定示例路径:

# 使用 arcs_evb 开发板
./build.sh -C -S samples/<示例路径> -DBOARD=arcs_evb

# 或使用 arcs_mini 开发板
./build.sh -C -S samples/<示例路径> -DBOARD=arcs_mini

Note

确保已安装对应的工具链。

烧录

编译完成后，使用 SDK tools 目录下的 cskburn 工具烧录固件:

./tools/burn/cskburn -s /dev/ttyUSB0 -b 3000000 0x0 build/arcs.bin -C arcs

Note

烧录参数说明：

• -s /dev/ttyUSB0：串口设备路径，需要根据实际情况修改 - Linux 系统：通常是 /dev/ttyUSB0 或 /dev/ttyACM0 - 可通过 ls /dev/tty* 命令查看可用串口设备 - 不同开发板或 USB 转串口芯片可能使用不同的设备名

• -b 3000000：烧录波特率（3Mbps）

• 0x0：烧录起始地址

• build/arcs.bin：编译生成的固件路径

• -C arcs：芯片类型

注意事项：

• 确保开发板已正确连接到电脑

• 如果无法识别串口设备，请检查 USB 连接线是否正常，或尝试其他 USB 端口

预期输出

********Arcs SDK 0.1.0 @ v0.0.23.temp.docs-96-gf56c5084660d********
Running on hart-id: 1
I/elog            [1034:42:44.159 1 elog_async] EasyLogger V2.2.99 is initialize success.
Hello, world!
mbedtls rsa test

  . setup rng ... ok

  1. RSA generate key ... ok

  +++++++++++++++++ rsa keypair +++++++++++++++++

N: [RSA 模数，十六进制]
E: [公钥指数，十六进制]
D: [私钥指数，十六进制]
P: [质数 P，十六进制]
Q: [质数 Q，十六进制]
DP: [DP 值，十六进制]
DQ: [DQ 值，十六进制]
QP: [QP 值，十六进制]

  +++++++++++++++++ rsa keypair +++++++++++++++++

  2. RSA encryption ... ok
     [加密后的数据，十六进制]

  3. RSA decryption ... ok
     Hello, World!

  4. RSA Compare results and plaintext ... ok

  5. PKCS#1 data sign  : passed
  PKCS#1 sig. verify: all passed

说明：

• 输出开头包含系统启动信息和日志系统初始化信息

• RSA 密钥对信息以十六进制格式输出

• 加密后的数据以十六进制格式输出

• 解密后的明文直接输出

• 签名和验证操作的结果会显示

核心 API

API	说明
mbedtls_rsa_init()	初始化 RSA 上下文
mbedtls_rsa_gen_key()	生成 RSA 密钥对
mbedtls_rsa_import()	导入 RSA 密钥组件
mbedtls_rsa_complete()	完成 RSA 密钥设置（计算 DP, DQ, QP）
mbedtls_rsa_pkcs1_encrypt()	PKCS#1 加密
mbedtls_rsa_pkcs1_decrypt()	PKCS#1 解密
mbedtls_rsa_pkcs1_sign()	PKCS#1 签名
mbedtls_rsa_pkcs1_verify()	PKCS#1 验证
mbedtls_sha1_ret()	计算 SHA1 哈希值

关键代码

/* 初始化 RSA 上下文 */
mbedtls_rsa_context ctx;
mbedtls_rsa_init(&ctx, MBEDTLS_RSA_PKCS_V21, MBEDTLS_MD_SHA256);

/* 导入 RSA 密钥（从十六进制字符串） */
mbedtls_mpi N, E, D, P, Q, DP, DQ, QP;
mbedtls_mpi_init(&N);
mbedtls_mpi_init(&E);
mbedtls_mpi_init(&D);
mbedtls_mpi_init(&P);
mbedtls_mpi_init(&Q);
mbedtls_mpi_init(&DP);
mbedtls_mpi_init(&DQ);
mbedtls_mpi_init(&QP);

mbedtls_mpi_read_string(&N, 16, S_N);  // 从十六进制字符串读取
mbedtls_mpi_read_string(&E, 16, S_E);
mbedtls_mpi_read_string(&D, 16, S_D);
mbedtls_mpi_read_string(&P, 16, S_P);
mbedtls_mpi_read_string(&Q, 16, S_Q);
// 注意：虽然代码读取了 DP, DQ, QP，但 mbedtls_rsa_import() 不使用它们
mbedtls_mpi_read_string(&DP, 16, S_DP);
mbedtls_mpi_read_string(&DQ, 16, S_DQ);
mbedtls_mpi_read_string(&QP, 16, S_QP);

// mbedtls_rsa_import() 只使用 N, P, Q, D, E
mbedtls_rsa_import(&ctx, &N, &P, &Q, &D, &E);
// mbedtls_rsa_complete() 会自动计算 DP, DQ, QP
mbedtls_rsa_complete(&ctx);

/* 加密 */
const char *msg = "Hello, World!";
uint8_t out[256];
mbedtls_rsa_pkcs1_encrypt(&ctx, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg, 
                         MBEDTLS_RSA_PUBLIC, strlen(msg), msg, out);

/* 解密 */
uint8_t out1[256];
size_t olen;
mbedtls_rsa_pkcs1_decrypt(&ctx, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg, 
                         MBEDTLS_RSA_PRIVATE, &olen, out, out1, sizeof(out1));

/* 签名 */
unsigned char sha1sum[20];
mbedtls_sha1_ret(msg, strlen(msg), sha1sum);
uint8_t sign[256];
mbedtls_rsa_pkcs1_sign(&ctx, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg,
                      MBEDTLS_RSA_PRIVATE, MBEDTLS_MD_SHA1, 0,
                      sha1sum, sign);

/* 验证 */
mbedtls_rsa_pkcs1_verify(&ctx, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg, 
                        MBEDTLS_RSA_PUBLIC, MBEDTLS_MD_SHA1, 20, 
                        sha1sum, sign);

RSA 密钥格式说明

密钥组件

• N: RSA 模数（公钥和私钥共有）

• E: 公钥指数（通常为 65537 或 0x010001）

• D: 私钥指数

• P: 质数 P（N = P × Q）

• Q: 质数 Q（N = P × Q）

• DP: D mod (P-1)

• DQ: D mod (Q-1)

• QP: Q^(-1) mod P

支持的密钥长度

代码中预定义了以下密钥长度（通过 RSA_KEY_SIZE 宏选择）：

• 1024 位：RSA_KEY_SIZE == 1024

• 2048 位：RSA_KEY_SIZE == 2048（默认）

• 4096 位：RSA_KEY_SIZE == 4096

• 8192 位：RSA_KEY_SIZE == 8192

注意：代码虽然读取了 DP, DQ, QP 值，但 mbedtls_rsa_import() 只使用 N, P, Q, D, E，然后通过 mbedtls_rsa_complete() 自动计算 DP, DQ, QP，因此预定义的 DP, DQ, QP 值实际上不会被使用

配置说明

必需配置

• CONFIG_SDK_MODULE_MBEDTLS=y: 启用 mbedTLS 模块

• CONFIG_MBEDTLS_KEY_EXCHANGE_RSA_ENABLED=y: 启用 RSA 密钥交换

• CONFIG_MBEDTLS_GENPRIME_ENABLED=y: 启用质数生成（如果使用 IS_GENERATE_KEY == 1）

• CONFIG_MBEDTLS_HASH_ALL_ENABLED=y: 启用所有哈希算法（用于签名）

硬件加速配置（可选）

• CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_ENTROPY=y: 启用硬件熵源

• CONFIG_MBEDTLS_HARDWARE_MPI_MODULAR_EXPONENTIATION=y: 启用硬件模幂运算加速

注意事项

1. 密钥生成: 如果 IS_GENERATE_KEY == 1，生成大质数可能需要较长时间，特别是对于 4096 位或更大的密钥

2. 填充方式: 代码使用 PKCS#1 v2.1（OAEP）填充进行加密，使用 PKCS#1 v1.5 填充进行签名。代码中初始化时使用 MBEDTLS_RSA_PKCS_V21，虽然注释中有 MBEDTLS_RSA_PKCS_V15 的示例，但实际运行使用的是 v2.1

3. 哈希算法: 签名使用 SHA1 哈希算法，实际应用中建议使用更安全的算法（如 SHA256）

4. 密钥导入: 从十六进制字符串导入密钥时，确保所有密钥组件格式正确

5. 资源清理: 使用完 RSA 上下文和 MPI 后，必须调用相应的 free() 函数释放资源

6. 加密数据大小: RSA 加密的数据大小受密钥长度限制，2048 位密钥最多可加密 245 字节（使用 OAEP 填充）

7. 随机数生成器: 加密和签名操作需要随机数，必须正确初始化 CTR_DRBG

8. 密钥安全: 预定义的密钥仅用于测试，实际应用中应使用安全生成的密钥