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RIOT 中 PSA Crypto EdDSA（Ed25519）配置与测试实战：从模块裁剪到源码级验证

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本篇技术指南以 RIOT 仓库中的 tests/sys/psa_crypto_eddsa 配置测试为核心，讲解如何仅启用 PSA Crypto 模块中的 EdDSA（Ed25519 曲线）功能，完成密钥生成、签名、验签的完整流程，并介绍后端自动选择机制、内存配置要点与自动化测试方法。读完本文，你将能够在自己的 RIOT 应用中按需裁剪 PSA Crypto 模块、理解psa_asymmetric_ecc_ed25519的后端解析逻辑，并掌握用testrunner验证签名结果正确性的实践方案。

测试定位：为什么单独为 EdDSA 建一个测试

tests/sys/psa_crypto_eddsa/README.md 明确指出，这是一个仅针对 PSA Crypto 模块中 eddsa 功能的配置测试（configuration test），其内容基于 examples/advanced/psa_crypto 示例演化而来。

RIOT 的 PSA Crypto 实现支持 AES、HMAC、ECDSA、EdDSA 等多种运算，而本例刻意把范围收敛到 EdDSA 一项，其目的是：

1. 验证模块级裁剪是否可行：PSA Crypto 采用"基础模块 + 按操作拆分"的架构，本测试证明只选psa_asymmetric与psa_asymmetric_ecc_ed25519两个模块即可独立完成 Ed25519 签名运算，无需引入对称加密、哈希等其他功能模块；
2. 验证后端自动解析：Ed25519 在支持硬件加速的平台上自动走periph_ecc_ed25519后端，否则回退到软件实现（monocypher），这一依赖关系在 sys/psa_crypto/Makefile.dep 中有明确体现；
3. 作为配置正确性的回归保障：通过测试框架自动断言程序输出 "All Done"，确保模块配置组合在 CI 环境中持续可用。

最小化模块配置：Makefile 剖析

测试的构建配置位于 tests/sys/psa_crypto_eddsa/Makefile，内容非常精简，是理解 PSA Crypto 模块依赖关系的绝佳样例：

include ../Makefile.sys_common USEMODULE += ztimer USEMODULE += ztimer_usec USEMODULE += psa_crypto USEMODULE += psa_asymmetric USEMODULE += psa_asymmetric_ecc_ed25519 CFLAGS += -DCONFIG_PSA_ASYMMETRIC_KEYPAIR_COUNT=1 CFLAGS += -DCONFIG_PSA_SINGLE_KEY_COUNT=1 CFLAGS += -DTHREAD_STACKSIZE_MAIN=4096 include $(RIOTBASE)/Makefile.include

基础模块与依赖链

• psa_crypto：PSA Crypto 基础模块，是任何 PSA 运算的前提。根据 sys/psa_crypto/Makefile.dep 的依赖规则，它会自动附带random与prng_sha256prng（密钥生成需要随机数）：

  ifneq (,$(filter psa_crypto,$(USEMODULE))) USEMODULE += random USEMODULE += prng_sha256prng endif

• psa_asymmetric：非对称运算基模块，依赖规则为USEMODULE += psa_key_management，进而再依赖psa_key_slot_mgmt（见 sys/psa_crypto/Makefile.dep 与 L498-L501），即密钥槽管理是签名运算的隐含前置。
• psa_asymmetric_ecc_ed25519：Ed25519 运算模块，是本测试的核心。

后端自动解析：硬件优先，软件兜底

这是整个测试最有价值的部分。查看 sys/psa_crypto/Makefile.dep 的 Ed25519 分支：

## ECC_ED25519 backend ifneq (,$(filter psa_asymmetric_ecc_ed25519,$(USEMODULE))) ifeq (,$(filter psa_asymmetric_ecc_ed25519_custom_backend,$(USEMODULE))) FEATURES_OPTIONAL += periph_ecc_ed25519 include $(RIOTMAKE)/features_check.inc.mk ifneq (,$(filter periph_ecc_ed25519,$(FEATURES_USED))) USEMODULE += psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_periph else USEMODULE += psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_monocypher endif endif endif ifneq (,$(filter psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_c25519,$(USEMODULE))) USEPKG += c25519 USEMODULE += psa_c25519 USEMODULE += psa_c25519_edsign endif ifneq (,$(filter psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_monocypher,$(USEMODULE))) USEPKG += monocypher USEMODULE += psa_monocypher USEMODULE += psa_monocypher_ed25519 endif ifneq (,$(filter psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_periph,$(USEMODULE))) FEATURES_REQUIRED += periph_ecc_ed25519 endif

逻辑解读：

1. 只要用户选了psa_asymmetric_ecc_ed25519且没有显式指定psa_asymmetric_ecc_ed25519_custom_backend，构建系统就声明一个可选特性periph_ecc_ed25519；
2. 若目标板提供该硬件加速特性（FEATURES_USED命中），则启用psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_periph（外设硬件加速后端）；
3. 若目标板不提供该特性，则自动回退到软件后端psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_monocypher，该模块通过USEPKG += monocypher引入 monocypher 密码库，并启用psa_monocypher/psa_monocypher_ed25519；
4. 除默认路径外，还支持显式选择psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_c25519（引入 c25519 包与psa_c25519_edsign）。

因此，同一份 Makefile 在native平台会编译 monocypher 软件实现，在具备硬件加速的板上则自动切换为 periph 后端，无需改动任何应用代码。这也印证了 examples/advanced/psa_crypto/README.md 中"不指定任何配置时，PSA Crypto 会依据目标平台自动选择默认后端"的描述。

所有可选模块名（伪模块）都登记在 sys/psa_crypto/Makefile.include，并且该文件还强制了"一个算法必须且只能选一个后端"的约束：

ifneq (,$(filter psa_asymmetric_ecc_ed25519,$(USEMODULE))) ifneq (1,$(call backends, psa_asymmetric_ecc_ed25519)) $(error "One (and only one) backend should be selected for psa_asymmetric_ecc_ed25519") endif endif

关键内存配置项

Makefile 中的三个编译期宏对应 PSA Crypto 的资源配置：

依据 sys/psa_crypto/doc.md 的说明，PSA 内部把密钥槽分为三类：Single Key Slot（单钥/非结构化数据）、Asymmetric Key Slot（本地非对称密钥对）、Protected Key Slot（安全元件或硬件保护内存中的密钥）。本例的example_eddsa.c同时生成了私钥对并导入了公钥，正好同时触及前两类槽位，因此两个计数都需要显式配置。

需要特别说明的是：槽位数量是 RAM 中缓存的密钥上限，不代表持久化存储的密钥总数上限（本实现暂不支持持久化，见 sys/psa_crypto/doc.md 的说明）。Makefile.ci中列出的nucleo-c031c6、nucleo-l011k4、samd10-xmini、stm32f030f4-demo等小内存板卡被标记为BOARD_INSUFFICIENT_MEMORY（见 Makefile.ci），正是因为这些板卡的 RAM 不足以承载完整的 PSA Crypto + 签名栈。

完整 EdDSA 流程：example_eddsa.c 逐段解析

测试的核心运算实现在 example_eddsa.c，文件头注明其内容复制自examples/advanced/psa_crypto。它演示了使用 PSA Crypto API 完成一次 Ed25519 签名的标准五步走。

算法与密钥参数定义

#define EDDSA_MESSAGE_SIZE (127) #define ECC_KEY_SIZE (255) #define ECC_KEY_TYPE (PSA_KEY_TYPE_ECC_KEY_PAIR(PSA_ECC_FAMILY_TWISTED_EDWARDS)) #define ECC_ALG (PSA_ALG_PURE_EDDSA)

• 曲线族为Twisted Edwards（PSA_ECC_FAMILY_TWISTED_EDWARDS），即 Edwards25519；
• 算法标识为纯 EdDSA（PSA_ALG_PURE_EDDSA），对应 RFC 8032 中的 PureEdDSA 模式（与先哈希再签名的 Ed25519ph 相对）；
• 密钥位长 255 bit，待签名消息固定为 127 字节（msg数组初始化为0x0b）。

第一步：配置私钥属性并生成密钥对

psa_key_usage_t usage = PSA_KEY_USAGE_SIGN_MESSAGE | PSA_KEY_USAGE_VERIFY_MESSAGE; psa_set_key_algorithm(&privkey_attr, ECC_ALG); psa_set_key_usage_flags(&privkey_attr, usage); psa_set_key_type(&privkey_attr, ECC_KEY_TYPE); psa_set_key_bits(&privkey_attr, ECC_KEY_SIZE); status = psa_generate_key(&privkey_attr, &privkey_id);

psa_key_attributes_t结构必须先用psa_key_attributes_init()清零初始化——依据 sys/psa_crypto/doc.md，未初始化的结构会被 PSA 视为active而无法用于新操作。psa_generate_key()由 PSA 在内部完成随机密钥生成，私钥材料不会暴露给应用层（这正是 PSA Crypto 密钥管理设计的关键点）。

第二步：导出公钥

uint8_t public_key[PSA_EXPORT_PUBLIC_KEY_OUTPUT_SIZE(ECC_KEY_TYPE, ECC_KEY_SIZE)] = { 0 }; size_t pubkey_length; status = psa_export_public_key(privkey_id, public_key, sizeof(public_key), &pubkey_length);

缓冲区大小由宏PSA_EXPORT_PUBLIC_KEY_OUTPUT_SIZE(ECC_KEY_TYPE, ECC_KEY_SIZE)在编译期计算，避免手动估算出错。

第三步：以公钥属性导入公开密钥

psa_set_key_algorithm(&pubkey_attr, ECC_ALG); psa_set_key_usage_flags(&pubkey_attr, PSA_KEY_USAGE_VERIFY_MESSAGE); psa_set_key_bits(&pubkey_attr, PSA_BYTES_TO_BITS(pubkey_length)); psa_set_key_type(&pubkey_attr, PSA_KEY_TYPE_PUBLIC_KEY_OF_KEY_PAIR(ECC_KEY_TYPE)); status = psa_import_key(&pubkey_attr, public_key, pubkey_length, &pubkey_id);

注意这里不能直接复用私钥属性：公钥的用途标记仅为PSA_KEY_USAGE_VERIFY_MESSAGE（不能签名），类型用PSA_KEY_TYPE_PUBLIC_KEY_OF_KEY_PAIR()派生，位数则根据导出的实际长度经PSA_BYTES_TO_BITS()换算。

第四、五步：签名与验签

status = psa_sign_message(privkey_id, ECC_ALG, msg, sizeof(msg), signature, sizeof(signature), &sig_length); return psa_verify_message(pubkey_id, ECC_ALG, msg, sizeof(msg), signature, sig_length);

签名使用私钥privkey_id，验签使用导入的公钥pubkey_id，算法均为ECC_ALG。example_eddsa()的返回值即psa_verify_message()的结果，只有当签名通过验证时才返回PSA_SUCCESS，这使整个函数天然具备"自校验"能力。

运行入口与计时：main.c 与 ztimer

main.c 是标准的 RIOT 测试入口：

#include "psa/crypto.h" #include "ztimer.h" extern psa_status_t example_eddsa(void); int main(void) { bool failed = false; psa_status_t status; ztimer_acquire(ZTIMER_USEC); ztimer_now_t start = ztimer_now(ZTIMER_USEC); start = ztimer_now(ZTIMER_USEC); status = example_eddsa(); printf("EdDSA took %d us\n", (int)(ztimer_now(ZTIMER_USEC) - start)); if (status != PSA_SUCCESS) { failed = true; printf("EdDSA failed: %s\n", psa_status_to_humanly_readable(status)); } ztimer_release(ZTIMER_USEC); if (failed) { puts("Tests failed..."); } else { puts("All Done"); } return 0; }

实现要点：

• 用ztimer_acquire(ZTIMER_USEC)/ztimer_release(ZTIMER_USEC)获取微秒级计时器（对应 Makefile 中的ztimer与ztimer_usec模块），测量单次 EdDSA（生成密钥 + 导出/导入公钥 + 签名 + 验签）的整体耗时并打印；
• 失败时通过psa_status_to_humanly_readable(status)输出人类可读的错误状态，便于定位；
• 无论成功失败，最终都会输出All Done或Tests failed...，供测试框架断言。

从源码结构可以推断，计时输出同时起到了"后端性能对比"的辅助作用——examples/advanced/psa_crypto/README.md 中给出了不同后端的预期运行时间对比（例如硬件 CryptoCell 310 与软件实现、ATECC608A 安全元件之间的数量级差异），本例沿用这一模式，便于开发者在实际板卡上核对后端是否按预期生效。

运行与自动化验证

手工运行

在任意支持 PSA Crypto 的平台上编译并烧录：

make -C tests/sys/psa_crypto_eddsa BOARD=native flash term

使用真实硬件时替换BOARD，例如BOARD=nrf52840dk（该板具备硬件加速后端）。程序启动后会打印类似EdDSA took xxx us的耗时信息，并以All Done结束表示签名-验签链路全部成功。

自动化测试

测试脚本 基于 RIOT 的testrunner框架：

#!/usr/bin/env python3 import sys from testrunner import run def testfunc(child): child.expect_exact('All Done') print("[TEST PASSED]") if __name__ == "__main__": sys.exit(run(testfunc))

脚本的核心断言只有一行：期望串口输出精确匹配All Done。由于main.c只有在psa_generate_key、psa_export_public_key、psa_import_key、psa_sign_message、psa_verify_message全部返回PSA_SUCCESS时才会走到该分支，因此这一断言实质上覆盖了整条 EdDSA 链路。配合测试框架运行：

make -C tests/sys/psa_crypto_eddsa BOARD=native flash test

脚本退出码为 0 表示通过，输出[TEST PASSED]。

移植到自己应用中的配置清单

综合以上分析，若要在自己的 RIOT 应用中只启用 PSA Crypto 的 EdDSA 功能，最小配置如下：

# 基础模块（必须） USEMODULE += psa_crypto USEMODULE += psa_asymmetric USEMODULE += psa_asymmetric_ecc_ed25519 # 后端：默认自动选择（硬件 periph 优先，否则 monocypher 软件实现） # 也可显式指定： # USEMODULE += psa_asymmetric_ecc_ed25519_custom_backend # USEMODULE += psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_c25519 # 或 # USEMODULE += psa_asymmetric_ecc_ed25519_backend_monocypher # 密钥槽配置（按需调整） CFLAGS += -DCONFIG_PSA_ASYMMETRIC_KEYPAIR_COUNT=1 CFLAGS += -DCONFIG_PSA_SINGLE_KEY_COUNT=1 # 软件后端运算需要更大的栈 CFLAGS += -DTHREAD_STACKSIZE_MAIN=4096

若偏好 Kconfig 方式，可在应用目录的app.config.test中写成：

CONFIG_MODULE_PSA_CRYPTO=y CONFIG_MODULE_PSA_ASYMMETRIC=y CONFIG_MODULE_PSA_ASYMMETRIC_ECC_ED25519=y

并在menuconfig的System -> PSA Crypto菜单下调整密钥槽数量（对应CONFIG_PSA_ASYMMETRIC_KEYPAIR_COUNT、CONFIG_PSA_SINGLE_KEY_COUNT）。更多可用模块与后端清单参见 sys/psa_crypto/doc.md 的 "Available Modules" 章节。

小结

tests/sys/psa_crypto_eddsa虽是一个规模很小的配置测试，却完整承载了 RIOT PSA Crypto 模块化设计的核心思想：通过psa_asymmetric+psa_asymmetric_ecc_ed25519两个模块即可独立启用 Ed25519 签名能力，后端由构建系统依据板级特性自动在硬件加速与 monocypher 软件实现之间切换。其 Makefile 是模块裁剪与密钥槽配置的现成范本，example_eddsa.c 则是 PSA Crypto 密钥生成、导入、签名、验签的标准 API 用法，配合 main.c 的 ztimer 计时与 testrunner 断言，形成了一套可复用的"最小 EdDSA 验证闭环"。读者可直接将本文的配置清单与代码模式移植到自己的安全启动、固件签名校验、消息认证等场景中。

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