Mbed-TLS/mbedtls中的PSA密钥协商功能实现解析

在密码学应用中，密钥协商(Key Agreement)是一种允许两方在不安全的通信信道上建立共享密钥的机制。Mbed TLS作为一款广泛使用的加密库，其PSA(Platform Security Architecture)加密API在1.2版本中引入了psa_key_agreement函数，本文将深入解析这一功能的实现原理和技术细节。

功能概述

psa_key_agreement函数是PSA Crypto API 1.2版本新增的核心功能，它实现了安全的密钥协商流程。与传统的psa_raw_key_agreement函数不同，psa_key_agreement提供了更高层次的安全抽象，避免了共享密钥在内存中的显式暴露。

该函数本质上完成了以下三个关键步骤：

1. 执行原始密钥协商算法，生成共享秘密
2. 将共享秘密直接导入为密钥对象
3. 进行严格的输入验证和错误检查

技术实现细节

安全优势

psa_key_agreement的主要安全优势在于它完全避免了共享秘密在应用程序内存中的临时存储。传统的两步法(psa_raw_key_agreement+psa_import_key)存在以下风险：

• 共享秘密可能被意外泄露到日志或调试输出中
• 共享秘密可能残留在未清理的内存中
• 应用程序可能错误地处理共享秘密

而psa_key_agreement将这些操作封装在一个原子性的API调用中，大大降低了安全风险。

关键验证机制

函数实现中包含了严格的验证逻辑：

1. 密钥类型验证：只允许特定的密钥类型参与协商，这一验证在psa_key_agreement中专门实现，因为：

   • psa_raw_key_agreement不了解输出密钥的要求
   • psa_import_key没有理由限制输出密钥类型

2. 属性验证：输出密钥的其他属性(如策略、持久性、位大小等)由psa_import_key负责验证

3. 算法兼容性验证：确保协商算法与输入密钥类型匹配

测试策略

为确保psa_key_agreement的正确性和安全性，测试方案需要覆盖以下方面：

1. 功能正确性测试：

   • 复用现有的psa_raw_key_agreement测试用例
   • 验证协商结果与参考实现的一致性

2. 属性处理测试：

   • 测试各种输出密钥属性的正确处理
   • 验证不兼容属性的错误处理

3. 安全边界测试：

   • 测试无效输入的处理
   • 验证密钥类型限制的正确实施

4. 内存安全测试：

   • 确保共享秘密不会暴露在API边界之外
   • 验证敏感数据的及时清理

应用场景

psa_key_agreement特别适用于以下场景：

1. TLS/DTLS协议实现：在握手过程中安全建立会话密钥
2. 安全通信协议：如Signal协议等需要前向安全的场景
3. 物联网设备配对：设备间安全建立共享密钥
4. 安全启动流程：组件间建立可信通信通道

最佳实践建议

1. 优先使用psa_key_agreement而非psa_raw_key_agreement，除非有特殊需求
2. 仔细选择输出密钥的属性，特别是密钥使用策略
3. 定期更新到最新版本的Mbed TLS以获取安全修复
4. 结合PSA的密钥生命周期管理功能实现完整的密钥保护

通过psa_key_agreement的实现，Mbed TLS为开发者提供了更安全、更易用的密钥协商接口，有助于构建更加安全的加密应用。这一功能的加入体现了PSA Crypto API向着更高安全抽象层次发展的趋势。