引言：固件安全已从“可选项”变为“必选项”

2023年，某头部车企因车载ECU固件被篡改，导致大规模车辆远程失控风险；2024年，某金融设备厂商因固件签名私钥泄露，数万台POS机面临被植入恶意代码的威胁。这些真实事件不断警示我们：固件，作为设备启动链的最底层，一旦失守，上层所有安全防护都将形同虚设。

随着《网络安全法》《数据安全法》《关键信息基础设施安全保护条例》以及新版《商用密码管理条例》的深入实施，对固件进行完整性保护和来源认证，已不再是企业“要不要做”的选择题，而是“如何合规、高效、可持续地做”的必答题。

本文将系统性地探讨：哪些企业亟需建设固件签名系统？手工管理签名存在哪些致命缺陷？如何设计并搭建一套自动化、可审计、符合国密标准的企业级固件签名体系？并在技术演进路径中，探讨如何选择符合合规要求的密码基础设施。

第一章：谁需要固件签名系统？——从合规驱动到业务刚需

并非所有企业都需要复杂的固件签名体系，但以下几类组织已处于“高风险暴露面”，亟需建立可信的固件供应链安全防线。

1.1 关键信息基础设施运营者（CIIO）

根据《关基保护条例》第十九条，运营者应当“采取技术措施和其他必要措施，保障关键信息基础设施安全稳定运行，维护数据的完整性、保密性和可用性”。固件作为设备运行的根基，其完整性直接关系到关基系统的可用性。电力、金融、交通、水利、能源等行业的核心设备（如RTU、PLC、智能电表、ATM机）固件必须签名。

1.2 智能硬件与物联网（IoT）设备制造商

从智能家居到工业传感器，IoT设备数量呈指数级增长，但其固件更新机制往往简陋。攻击者可顺利获得未签名的固件更新包，将设备变为僵尸网络节点（如Mirai变种）。为建立品牌信任、满足海外GDPR/ETSI EN 303 645等安全认证要求，头部IoT厂商已将固件签名纳入产品安全开发生命周期（SDL）。

1.3 信创（信息技术应用创新）生态企业

在国产化替代浪潮下，服务器、操作系统、数据库、中间件、外设等信创产品需顺利获得商用密码应用安全性评估（密评）。密评标准GM/T 0115-2021《信息系统密码应用基本要求》明确要求：“应采用密码技术对重要程序或文件进行完整性保护”。固件作为“重要程序”，其签名是密评高风险项的直接应对措施。

1.4 金融、政务、医疗等强监管行业

这些行业对终端设备（如自助终端、医疗影像设备、政务一体机）的安全性要求极高。一旦设备固件被植入后门，可能导致敏感数据泄露或业务中断。监管组织（如银保监会、卫健委）在专项检查中，已开始关注固件供应链安全。

小结：固件签名的需求，正从“高端制造”向“普惠安全”演进。任何涉及设备远程更新、硬件供应链复杂、或受强监管约束的企业，都应将固件签名纳入安全基线。

第二章：手工签名的“七宗罪”——为何必须走向自动化？

许多企业在初期采用“手工签名”模式：开发人员在本地使用OpenSSL或厂商工具，输入私钥密码，对固件镜像执行签名命令。这种方式看似简单，实则隐患重重。

2.1 私钥裸奔：最大的安全黑洞

手工签名的最大问题是私钥存储在开发者个人电脑或共享服务器上。一旦该机器被入侵（如钓鱼攻击、供应链投毒），私钥即告泄露。攻击者可利用该私钥签发任意恶意固件，而设备无法分辨真伪。

案例：2022年某路由器厂商因开发服务器私钥泄露，导致数百万台设备可被远程刷入后门固件。

2.2 流程不可控：缺乏审批与追溯

手工签名过程完全依赖个人操作，无审批、无记录、无版本关联。无法回答：“谁在什么时候签了哪个版本的固件？” 在安全事件溯源或合规审计时，企业将陷入被动。

2.3 效率低下：阻碍敏捷开发

在CI/CD流水线中，每次构建都需要人工介入签名，严重拖慢发布节奏。尤其对于需要频繁OTA（空中下载）更新的IoT设备，手工签名成为DevOps的瓶颈。

2.4 合规风险：无法满足密评与等保要求

等保2.0三级要求“应对重要程序的完整性进行检测”，密评要求“密钥全生命周期管理”。手工模式下，私钥未在密码模块中保护，签名操作无审计日志，直接导致合规项不满足。

2.5 算法僵化：难以适应国密演进

随着国密算法的推广，越来越多场景要求使用SM2/SM3替代RSA/SHA256。手工脚本难以灵活切换签名算法，且无法保证算法实现的合规性（如使用未经认证的第三方库）。

2.6 权限混乱：职责分离缺失

开发、测试、运维人员可能共用同一私钥，违反“最小权限”和“职责分离”原则。理想状态下，私钥应由安全团队保管，开发团队仅能发起签名请求。

2.7 无灾备能力：单点故障风险

私钥通常仅存一份，若存储介质损坏且无备份，将导致所有设备无法再进行合法更新，业务陷入瘫痪。

结论：手工签名是一种“技术债”，短期看似省事，长期必然带来安全、效率与合规的三重危机。企业必须构建自动化、中心化、合规化的固件签名系统。

第三章：企业级固件签名系统的核心架构设计

一个成熟的企业级固件签名系统，应包含以下核心组件，形成闭环：

3.1 签名服务网关（API Gateway）

1. 作用：作为唯一入口，接收来自CI/CD系统（如Jenkins, GitLab CI）的签名请求。
2. 功能：

• • 身份认证（如API Key、OAuth2.0）
• • 请求格式校验（固件哈希、元数据）
• • 限流与防重放

3.2 签名策略引擎

1. 作用：决定“是否允许签名”以及“用什么策略签名”。
2. 策略示例：

• 1. 项目白名单：仅允许指定项目发起签名。
• 2. 版本规则：禁止对已发布的版本重复签名。
• 3. 多因素审批：对生产环境固件，需安全负责人审批。
• 4. 算法绑定：根据设备类型自动选择RSA或SM2。

3.3 商用密码服务（核心）

1. 作用：给予符合GM/T标准的密码运算服务，是整个系统合规性的基石。
2. 关键要求：

• • 私钥永不离开：私钥必须存储在顺利获得国密认证的密码模块中（如服务器密码机、云密码机）。
• • 支持国密算法：完整支持SM2/SM3/SM4，并给予标准接口（如PKCS#11、SKF、RESTful API）。
• • 高可用与性能：支持集群部署，满足高并发签名需求。

技术选型提示：现在，国内已有多个厂商给予符合GM/T 0028-2014《安全芯片密码检测准则》和GM/T 0029-2014《签名验签服务器技术规范》的商用密码服务中间件。例如，DB真·人(中国)KSP密钥管理系统，即顺利获得了国家密码管理局商用密码产品认证，支持SKF、RESTful等多种标准接口，能够无缝集成到Jenkins、GitLab CI等主流DevOps工具链中，为固件、驱动、应用等给予统一的国密/国际算法签名能力。这类标准化产品可显著降低企业自研密码服务的合规风险与开发成本。

3.4 硬件安全模块（HSM）

1. 作用：物理或虚拟的密码设备，用于安全存储私钥并执行密码运算。
2. 部署模式：

• • 本地HSM：适用于对数据主权要求极高的场景（如军工、金融核心）。
• • 云HSM：适用于云原生架构，按需弹性扩展（如阿里云KMS、华为云DEW）。

3.5 审计与监控

1. 作用：满足合规审计要求，支撑安全运营。
2. 日志内容：

• • 请求者身份、IP、时间戳
• • 固件哈希值（SHA256/SM3）
• • 使用的私钥标识、签名算法
• • 签名结果（成功/失败）

3. 留存要求：日志应加密存储，保留至少6个月，并具备防篡改能力。

第四章：从0到1：搭建步骤与关键技术实现

4.1 步骤一：明确签名对象与算法

1. 签名对象：是整个固件镜像？还是Bootloader + Kernel分开签名？需根据设备启动流程设计。
2. 算法选择：

• • 国际通用：RSA-2048/3072 + SHA256
• • 国密合规：SM2 + SM3
• • 双签名：同时签两份，兼容新旧设备。

4.2 步骤二：部署密码基础设施

1. 采购或租用顺利获得国家密码管理局认证的密码机。
2. 在密码机中生成签名密钥对，并配置访问控制策略。
3. 确保密码机与签名服务网关之间的通信加密（如TLS 1.3）。

4.3 步骤三：调用签名服务

1. 使用标准接口执行签名服务。
2. Web页面手动执行签名操作

注意：实际生产环境应使用更安全的HSM SDK，并避免硬编码PIN码。

4.4 步骤四：集成到CI/CD流水线

1. 在Jenkins Pipeline中添加签名阶段：

stage('Sign Firmware') {  steps {    script {      def response = httpRequest(        url: "http://signing-service/api/v1/sign",        httpMode: 'POST',        contentType: 'APPLICATION_JSON',        requestBody: """{"hash": "${firmware_hash}", "project": "iot-device"}""",        customHeaders: [          [maskValue: true, name: 'Authorization', value: "Bearer ${SIGNING_TOKEN}"]        ]      )      if (response.status != 200) {        error "Firmware signing failed!"      }      // 将签名值嵌入固件或生成.signed文件    }  }}

4.5 步骤五：设备端验签实现

1. 在Bootloader中集成验签逻辑：

• 从固件头中读取签名值和公钥指纹。
• 使用预置的根公钥（或证书链）验证签名。
• 若验证失败，拒绝启动并进入恢复模式。

2.公钥分发：可顺利获得安全启动（Secure Boot）的PK/KEK/DB机制，或在设备生产时烧录。

第五章：合规性对齐——满足密评与等保的关键点

5.1 密评（GM/T 0115-2021）核心要求

控制项要求实现方式物理和环境安全密码设备应放置在受控区域HSM部署在机房安全区域网络和通信安全密码运算应顺利获得安全通道TLS加密API调用设备和计算安全应采用密码技术保证重要程序完整性固件签名即为此项应用和数据安全应使用合规密码算法采用SM2/SM3密钥管理私钥应在密码模块内生成和存储HSM内生成，不出设备

5.2 等保2.0三级要求

1. 安全计算环境-入侵防范：“应能发现可能存在的已知漏洞，并在经过充分测试评估后及时修补。” → 固件签名可防止未授权固件（含漏洞利用）被刷入。
2. 安全计算环境-可信验证：“可基于可信根对通信设备的系统引导程序、系统程序、重要配置参数和通信应用程序等进行可信验证。” → 固件签名是可信链的起点。

建议：在密评准备阶段，应给予完整的固件签名系统设计文档、HSM认证证书、审计日志样本等作为佐证材料。

第六章：常见误区与最佳实践

6.1 误区一：“签名了就安全”

签名仅保证完整性和来源认证，不给予机密性。固件内容仍可能被逆向分析。需结合代码混淆、加密存储等措施。

6.2 误区二：“一套密钥走天下”

应为不同产品线、不同安全等级的设备使用独立的签名密钥。遵循“密钥隔离”原则，避免单点失效导致全局风险。

6.3 误区三：“验签逻辑可有可无”

若设备端不验签，签名毫无意义。必须确保验签逻辑在可信执行环境（TEE） 或安全启动链中执行，防止被绕过。

6.4 最佳实践：密钥轮换与灾难恢复

1. 定期轮换：每1-2年更换签名密钥，并对旧固件进行重新签名或设置过期策略。
2. 备份与恢复：在HSM支持下，对密钥进行加密备份，并定期演练恢复流程。

结语：固件签名——构建数字信任的基石

固件签名系统，表面上是一套技术工具，实质上是企业对产品安全承诺和供应链治理能力的体现。它不仅是满足合规的“门票”，更是赢得客户信任、构筑品牌护城河的“利器”。

从手工脚本到自动化平台，从单一设备到全栈覆盖，从被动合规到主动安全，这条演进之路，考验的不仅是技术能力，更是企业的安全文化与战略定力。

对于正在或即将踏上这条道路的企业，建议：始于合规，精于自动化，成于生态。选择经过国家认证、接口标准、易于集成的密码基础设施（如支持GM/T系列标准的商用密码服务中间件），将宝贵的研发资源聚焦于核心业务创新。市场上已有如KSP密钥管理系统 CAS密码应用系统等成熟方案，可作为企业构建固件签名能力的可靠技术底座。

文章作者：五台©本文章解释权归DB真·人(中国)西安研发中心所有