实用指南：IDE Key Management的密钥协商过程

IDE Key Management（IDE_KM）的密钥协商过程是基于SPDM（Security Protocol and Data Model，安全协议与数据模型）+ DOE（Data Object Exchange，数据对象交换）实现的安全流程，核心是在主机（如Root Port）与PCIe设备（如Endpoint）之间建立信任关系，并生成/分发IDE流所需的加密/完整性密钥。以下是详细的分阶段流程（以主机-设备双向协商为例）：

1. 协商过程

IDE_KM的基础环境准备

在密钥协商前，需完成以下准备工作：

1. 设备枚举与DOE发现：主机通过PCIe配置空间枚举，定位设备的DOE扩展能力（Capability ID=0x0025），并映射其MMIO地址（用于后续通信）；
2. 硬件安全模块就绪：设备侧的KMU（Key Management Unit）、IDE控制器处于“可配置”状态，支持密钥存储与加密/解密操作；
3. SPDM协议支持：主机与设备均实现SPDM 1.2+规范（PCI-SIG定义），支持身份认证、密钥交换等功能。

阶段1：SPDM安全会话建立（信任基础）

IDE_KM的密钥协商依赖SPDM建立的“安全信道”，此阶段的核心是身份认证+会话主密钥生成：

步骤1.1：SPDM版本与能力协商

• 主机通过DOE发送SPDM_GET_VERSION请求，设备返回支持的SPDM版本（如1.2）；
• 主机发送SPDM_GET_CAPABILITIES请求，设备返回支持的算法套件（如：
  • 密钥交换算法：ECDH P-384；
  • 哈希算法：SHA-384；
  • 对称加密算法：AES-256-GCM；
  • 签名算法：ECDSA P-384）。

步骤1.2：SPDM身份认证

• 证书交换：主机发送SPDM_GET_DIGEST请求，设备返回自身证书链的哈希值；主机验证哈希值后，发送SPDM_GET_CERTIFICATE请求，设备返回完整证书链（含设备公钥、CA签名）；
• 挑战-响应认证：主机生成随机挑战值（Nonce），发送SPDM_CHALLENGE请求；设备使用私钥对挑战值+设备信息进行签名，返回SPDM_CHALLENGE_RESPONSE；主机验证签名，确认设备身份合法。

步骤1.3：SPDM会话主密钥生成

• 密钥交换：主机与设备通过SPDM_KEY_EXCHANGE请求/响应，交换ECDH公钥（基于协商的椭圆曲线，如P-384）；
• 主密钥派生：双方基于ECDH共享密钥、会话Nonce、哈希算法，派生SPDM会话主密钥（Master Secret）；
• 会话密钥生成：从主密钥派生会话所需的子密钥（如：
  • Session Integrity Key：用于会话消息的完整性校验；
  • Session Encryption Key：用于会话消息的加密）。

至此，主机与设备之间建立了加密+认证的SPDM安全会话，后续的IDE密钥协商均在此信道中传输。

阶段2：IDE密钥的派生与协商

此阶段的核心是基于SPDM会话主密钥，生成IDE流专用的加密/完整性密钥（每个IDE流对应独立密钥）：

步骤2.1：IDE密钥派生规则确认

主机与设备协商IDE密钥的派生规则（遵循PCIe IDE规范）：

• 派生根：SPDM会话主密钥；
• 派生因子：IDE流ID（Stream ID）、设备BDF地址、会话Nonce（确保每个IDE流的密钥唯一）；
• 密钥长度：符合IDE算法要求（如AES-256需32字节，SHA-384需48字节）。

步骤2.2：主机派生IDE密钥

主机根据协商的规则，派生IDE流的密钥对：

• 加密密钥（Encryption Key）：用于TLP有效载荷加密（如AES-256-GCM的密钥）；
• 完整性密钥（Integrity Key）：用于TLP完整性校验（如HMAC-SHA-384的密钥）；
  注：若使用AEAD算法（如AES-GCM），则只需派生一个AEAD密钥，同时实现加密与完整性。

步骤2.3：密钥封装为DOE数据对象

主机将派生的IDE密钥封装为DOE材料对象（符合DOE格式要求）：

• 数据对象头部：
  • Data Object Type：设置为“IDE密钥（如PCI-SIG定义的0x0001）”；
  • Vendor ID：主机对应的厂商ID（如0x1234）；
  • Length：密钥的总长度（如AES-256密钥为8 DW，即32字节）；
• 数据对象内容：密钥的明文（但会被SPDM会话加密传输）。

阶段3：IDE密钥的安全传输（通过DOE）

将IDE密钥通过SPDM加密的DOE信道，传输到设备侧：就是此阶段的核心

步骤3.1：分块写入DOE写邮箱寄存器

主机将封装好的DOE资料对象（密钥），按“DOE写数据邮箱寄存器”的位宽（32位/64位）拆分为分块：

• 每次写入前，检查“邮箱就绪位（Mailbox Ready）”，确保邮箱空闲；
• 逐块写入DOE Write Data Mailbox Register（偏移0x10h），并通过SPDM会话加密每个分块。

步骤3.2：设备侧接收与解密

• 设备从“DOE读数据邮箱寄存器”中读取分块，利用SPDM会话密钥解密，重组为完整的DOE材料对象；
• 设备验证数据对象的完整性（通过头部的Length与实际长度比对，以及SPDM的MAC校验）。