Embedded Cryptographic Hardware pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Nedjah, Nadia (EDT)/ Mourelle, Luiza De Macedo (EDT)/ Macedo Mourelle, Luiza De (EDT)

出品人:

页数:255

译者:

出版时间:

价格:1621.00 元

装帧:

isbn号码:9781594541452

丛书系列:

图书标签:

• Cryptography
• Embedded Systems
• Hardware Security
• Side-Channel Analysis
• FPGA
• ASIC
• VLSI
• Digital Design
• Security Engineering
• Computer Architecture

深入探索数字世界基石：现代密码学在软件与系统设计中的应用 图书简介： 本书旨在为软件工程师、系统架构师以及对信息安全有深入需求的专业人士，提供一套全面、前沿且高度实用的密码学知识体系，重点聚焦于在标准计算平台（如通用CPU、操作系统和应用层）中实现和应用密码学原语及协议的实践经验与理论基础。 我们深知，在当今数字化浪潮中，数据的机密性、完整性和可用性已不再是可选的安全特性，而是构建信任和保障业务连续性的核心要素。本书避开了对专用硬件加速器或安全元件（如TPM、HSM）的详细讨论，而是将全部篇幅集中于软件层面的密码学实现、性能优化、以及在复杂系统环境下的正确集成。 本书内容结构严谨，循序渐进，从密码学的基础数学原理出发，迅速过渡到实际应用场景，旨在培养读者“用对”密码学的能力，而非仅仅停留在理论的表层。 第一部分：密码学基石与软件实现原则 (Foundations and Software Primitives) 本部分奠定了读者理解后续高级主题的数学和工程基础。 章节 1：密码学数学回顾与软件映射 有限域与椭圆曲线代数： 详细解析模运算、伽罗瓦域（Galois Fields）的构造，以及在没有硬件支持的情况下，如何高效地在软件中实现大数算术（Multi-precision Arithmetic）。重点讨论基于Cooley-Tukey算法的快速傅里叶变换（FFT）在多项式乘法中的应用，以及对蒙哥马利（Montgomery）乘法的软件优化策略。 伪随机性与熵源管理： 探讨真随机数生成器（TRNG）与伪随机数生成器（PRNG）的设计哲学。深入分析加州熵池（CSPRNG）的构造，包括加扰函数（Stirring）的设计，以及在操作系统层面（如`/dev/random`和`/dev/urandom`）的内核级实现差异与安全含义。强调在无硬件支持时，如何通过收集系统事件（如进程调度延迟、I/O计时抖动）来构建高质量的软件熵池。 章节 2：对称密码算法的软件实现精要 分组密码的演进与结构分析： 详细剖析AES（Advanced Encryption Standard）的轮函数、S-盒（S-box）的构造原理。我们将深入探讨如何利用位操作（Bitwise Operations）和查找表（Look-up Tables）在软件中实现高性能的AES加密。讨论固定密钥调度（Key Schedule）的效率优化。 模式的陷阱与选择： 对比ECB、CBC、CTR、GCM等操作模式的安全性、并行化能力与抗错误传播特性。重点分析GCM (Galois/Counter Mode) 在软件中的实现细节，包括GHASH运算如何通过高效的多项式乘法（通常利用SIMD指令集，但本书重点讨论纯软件替代方案或优化表查找）来加速认证标签的生成，确保数据完整性验证的性能。 流密码的软件实现： 分析ChaCha20的结构，阐述其相比于传统流密码（如RC4）在软件层面的优势，特别是其对分支预测的友好性，以及如何避免分支预测失败导致的侧信道泄露风险。 第二部分：非对称密码学与协议的软件栈集成 (Asymmetric Cryptography and Protocol Stacks) 本部分聚焦于公钥基础设施（PKI）中的核心算法，以及它们如何在网络协议中被正确部署。 章节 3：公钥算法的软件性能挑战 RSA的软件优化： 深入分析RSA的加密与签名过程中的模幂运算（Modular Exponentiation）。探讨“平方-乘法”算法的变种，如固定窗口（Fixed Window）和滑动窗口（Sliding Window）方法的性能权衡。重点讨论中国剩余定理（CRT） 在RSA解密中的应用，以及如何在软件中安全地管理和利用CRT因子。 椭圆曲线密码学（ECC）的软件实现深度： 详细解读NIST P曲线和Curve25519的底层数学特性。重点分析点加法（Point Addition）和点倍法（Point Doubling）的雅可比坐标（Jacobian Coordinates）转换，以最小化昂贵的模逆运算。探讨如何利用查找表预计算（Pre-computation）来加速批量处理。 章节 4：协议安全与密钥交换的软件实践 TLS/SSL 握手流程的密码学视角： 剖析TLS 1.2/1.3握手过程中的所有密码学步骤。详细解释Diffie-Hellman（DH）或椭圆曲线Diffie-Hellman（ECDH）密钥协商在应用层软件中的数据流处理。强调重放攻击（Replay Attacks）的防御机制。 数字签名验证的软件瓶颈： 分析X.509证书链的验证过程，特别是对ECDSA签名验证的性能分析。讨论如何在服务器端（如Web服务器或API网关）高效地缓存和验证证书，以避免每次请求都进行完整的公钥操作。 第三部分：现代安全挑战与软件防御 (Modern Threats and Software Defenses) 本书的最后部分转向当前软件安全领域最紧迫的问题：侧信道攻击与后量子密码学的过渡准备。 章节 5：软件侧信道防御 计时攻击（Timing Attacks）的原理与案例： 详细分析不恒定时间（Non-constant-time）的实现如何泄露密钥信息。通过C/C++代码示例，展示在实现模幂运算和S-box查找时，哪些代码模式极易受到计时分析。 恒定时间编程范式（Constant-Time Programming）： 系统性地介绍如何重构敏感密码学代码以消除数据依赖性。探讨如何使用位掩码（Bit Masking）替换条件分支（If/Else），以及如何强制CPU执行固定数量的操作，从而对抗精确到纳秒级的计时攻击。 缓存攻击的软件缓解： 讨论Prime+Probe等基于CPU缓存的攻击原理，并提供软件层面的对策，如数据混淆（Data Blending）和随机化内存访问模式，以降低攻击者收集统计信息的精度。 章节 6：面向未来的软件密码学（Post-Quantum Readiness） 后量子密码学（PQC）的软件形态概述： 介绍NIST PQC标准化过程中的主要候选算法类别（格基、基于编码、基于哈希等）。重点讨论它们的软件实现难度和性能开销。 PQC算法的软件移植性与数据结构： 分析如Kyber或Dilithium等算法中复杂的多项式运算如何在标准CPU架构上进行映射。讨论PQC密钥和签名的超大数据包对现有协议栈（如TLS记录层）的冲击，以及软件层面的数据填充和缓冲区管理的应对策略。 目标读者： 本书假设读者具备扎实的C/C++或类似系统级语言的编程经验，熟悉操作系统的工作原理，并对离散数学有基本的了解。它不依赖于任何特定的硬件安全模块（HSM）或可信执行环境（TEE）的抽象，而是直接深入到软件层面对安全性的构建与维护。通过本书的学习，读者将能够独立审计、优化和设计对密码学要求极高的软件系统。

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说实话，我对这类偏向底层的技术书籍通常抱有谨慎态度，因为很多时候它们要么过于理论化，让人望而却步；要么就是细节堆砌，缺乏系统性。然而，这本关于嵌入式密码硬件的书籍，在平衡这两者方面做得相当出色。它的行文风格带着一种老派工程师的严谨和对细节的执着，读起来虽然需要集中注意力，但每读完一个章节，都会有一种“茅塞顿开”的感觉。我尤其关注了书中关于防篡改（Anti-Tampering）技术的探讨，它超越了传统的物理隔离层面，深入到了对环境变化敏感的传感电路设计，比如温度、电压的异常监测及快速响应机制。这种深入硬件层面的分析，远比市面上许多停留在软件层面对抗的资料要可靠得多。更值得称赞的是，作者在讨论特定算法（如AES或SHA）的硬件加速器时，不仅仅给出了标准的流水线结构，还探讨了针对特定功耗受限环境（比如物联网设备）所做的优化，比如如何通过资源共享来降低芯片面积和功耗，同时又不牺牲足够的吞吐量。这本书的价值就在于，它提供了一套完整的、可落地的设计哲学，指导我们如何在资源有限的平台上构建出真正可信赖的加密模块。

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这本《Embedded Cryptographic Hardware》读起来真是让人眼前一亮，尤其对于我这种长期在硬件安全领域摸爬滚打的老兵来说，它提供了一个非常扎实且前沿的视角。这本书并没有过多纠缠于高深的密码学理论推导，而是将重心放在了如何将这些复杂的数学模型高效、安全地映射到实际的硅片设计中。我特别欣赏作者在描述硬件实现细节时的那种“工匠精神”，从基础的逻辑单元设计到更复杂的加密加速器架构，每一个环节都被剖析得淋漓尽致。比如，书中对侧信道攻击（SCA）的防御机制的讲解，不仅仅是列出Countermeasures的清单，而是深入剖析了这些防御措施在物理层面是如何干扰攻击者收集信息的，例如对功耗波形或电磁辐射的整形处理。这种从“为什么需要安全”到“如何用硬件实现安全”的完整闭环论述，极大地帮助我优化了当前正在进行的项目中关于随机数生成器（TRNG）的硬件架构选择。书中的图示和仿真结果也相当详尽，使得原本抽象的电路图变得直观易懂，让初入这个领域的工程师也能快速抓住重点。它更像是一本实战手册，而不是一本理论教科书，对于正在进行SoC安全IP开发的团队来说，绝对是不可或缺的参考资料。

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这本书的视角非常独特，它聚焦于“嵌入式”这个限定词，这意味着它所讨论的解决方案都必须在功耗、面积和成本这三大约束下实现。这与设计大型通用加密处理器有着本质的区别。我尤其欣赏作者在论述密钥存储和管理策略时的务实态度。书中讨论了如何利用熔丝（eFuses）或一次性可编程存储器（OTP）来安全地存储主密钥，并且详细描述了在设备生命周期内，如何通过硬件机制确保这些密钥在正常操作、固件更新乃至最终报废过程中都不会被轻易窃取。对于物联网设备制造商而言，这是一个极其关键的问题。书中给出的安全启动（Secure Boot）流程设计，从硬件信任根（RoT）的建立开始，步步为营，确保只有经过授权的代码才能在芯片上运行，这一设计思路极具启发性。它不仅仅是堆砌了安全功能，而是将安全理念渗透到了硬件的每一个设计决策中，形成了一个坚不可摧的防御体系。这本书无疑为我们构建下一代高安全等级、低功耗嵌入式系统的安全层提供了坚实的技术蓝图。

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翻开这本书的扉页，就能感受到一股扑面而来的技术气息，它没有冗余的背景介绍，直奔主题，就像是直接从一个顶级安全芯片设计会议的PPT里摘录出来的精华汇编。我过去尝试阅读一些关于安全芯片的资料时，常常因为术语解释不清而卡住，但这本书显然是为有一定电路基础的读者量身定制的，它默认读者已经熟悉CMOS工艺和数字逻辑设计，从而能将篇幅集中在密码学与硬件接口的融合上。特别是关于片上伪随机数生成器的“熵源”选择和采集电路的设计，书中给出了多种不同硬件机制的对比分析，比如热噪声采集与基于振荡器的抖动测量，并详细对比了它们各自的采集速度、熵的质量以及对环境波动的敏感性。这种细致入微的横向比较，远比教科书上单一的理论介绍要实用得多。它迫使读者必须深入思考，在实际晶圆制造和封装的环境限制下，哪种方案才是成本效益和安全级别综合最优的选择。这本书更像是同行间高质量的技术交流记录，坦诚而有力。

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这本书的结构安排非常巧妙，它不像其他技术书籍那样僵硬地按照字母顺序或时间顺序排列知识点，而是以一个真实的产品开发流程为线索来组织内容的。从最初的需求分析——确定加密强度和性能指标，到中间的算法映射和IP核设计，再到最后的验证和测试，每一步都紧密衔接。我个人对其中关于形式化验证（Formal Verification）应用于密码硬件模块的部分印象最为深刻。在硬件设计中，任何一个时序或逻辑上的微小错误都可能导致不可逆的安全漏洞，而传统基于仿真的测试往往覆盖不全。这本书详细介绍了如何构建数学模型来证明某个关键模块（比如密钥注入电路）的安全性属性，这为我团队目前在FPGA原型验证阶段引入更高级的验证方法提供了极好的范例。它不仅仅教你“如何做”，更重要的是教你“如何证明你做对了，并且是安全的”。读完后，我对“安全硬件设计”的理解不再是停留在“看起来安全”的层面，而是建立在一套严密的数学证明基础之上，这对于提升我们交付物的可信度至关重要。

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