MCU固件签名从 64 字节涨到 4.5KB

安全启动要验一个签名，这件事过去二十年由 ECDSA 或 RSA 完成。ECDSA P-256 的签名是 64 字节，P-384 是 96 字节。换成后量子算法，ML-DSA-87 的签名是 4627 字节。

体积涨了 72 倍，按常规判断是 MCU 装不下。两家厂商在不同平台上的实测数据指向另一个结论：慢的那部分不在算法本身。

一、一颗 M33 上的六种算法

wolfSSL 在 FRDM-RW612 上做过一组对比。芯片是 Cortex-M33，130MHz，没有内部 Flash，代码从外部 NOR 闪存 XIP 执行，验证对象是 7.5KB 的应用镜像。同一套 wolfBoot，六种签名算法：

图 1　同一颗 Cortex-M33 上六种算法的验签耗时，ECC P-384 最慢。数据来源：wolfSSL《wolfBoot Secure Boot for the NXP RW612》的实测表，2026 年 10 月 29 日，验证对象为 7.5KB 镜像

ML-DSA-44 只比 P-256 慢 23%，ML-DSA-87 是 P-256 的 2.5 倍；六种算法里最慢的一根柱子是 P-384，属于经典算法，是 P-256 的 7.8 倍。P-384 慢在椭圆曲线的域运算上，384 位的标量乘比 256 位重很多。

二、代价不在计算上

差的这部分来自两种算法在验签时做的事不一样。

ECDSA 验签要做两次椭圆曲线标量乘，一次算基点，一次算公钥。一次标量乘是几千次模乘，位宽越大越慢。

ML-DSA 验签做的是多项式向量乘加，模一个固定的素数，用 NTT 加速。签名里带的是挑战值的哈希、响应向量和提示位，验签方用矩阵和公钥重算出承诺，再比一次哈希。全程没有大整数运算，也没有曲线点乘。

代价转移到了别的地方：SHAKE 哈希。ML-DSA 验签里要跑多次 Keccak，软件实现慢就慢在这一块，这也是加 SHAKE 硬件加速之后收益最大的地方。

另有一组数据可以佐证。wolfSSL 把 ML-DSA-87 的 bootloader 和在 Cortex-M7 上跑的 ECDSA P-256 版本比，前者反而小了 940 字节，代码 21608 字节对 22548 字节。原因同样是运算类型：格验签不需要大整数库，椭圆曲线验签要。

三、体积落到了哪

省下的代码空间只有几百字节到几 KB，多出来的签名是每个镜像都要背的。

图 2　单个签名的字节数，传统算法与后量子算法。数据来源：FIPS 204、FIPS 205、SP 800-208，LMS H10 取 MCUXpresso TF-M 文档的 1912 字节，ECDSA 与 RSA 取常用参数集的标准长度

ML-DSA-87 的签名 4627 字节，公钥 2592 字节，两者相加 7219 字节。放进 256KB Flash 占 2.8%，放进 1MB 占 0.7%。

比例不大，影响落在四个地方。

OTA 包每发一个镜像多带 7.2KB，走 CAN 或低带宽无线链路时，这 7.2KB 是实打实的传输时间。

TLV 缓冲区要按以后可能采用的最大签名预留，不能按当前那个算。MCUboot 这类方案把签名放在镜像头的 TLV 区，今天上 ML-DSA-44，明天换 ML-DSA-87，中间差 2207 字节。

过渡期还要算双签。Microchip 给 dsPIC33A 的官方示例里，镜像同时带 ECDSA P-384 和 ML-DSA-87 两个签名，SHA-512 摘要打头，两个都验过才安装，代价是两套公钥和两个签名一起进 Flash。

全生命周期的写入量是第四处。走 LMS 这类有状态哈希签名，每签一次消耗一个私钥叶子，签名次数在出厂前就定死；设备端只验签，不受这个限制，签名端要有原子化的索引管理。

四、验签时间不跟镜像大小走

格签名的验签是固定成本。镜像变大，多出来的只有对镜像本身做一遍 SHA-256 的那部分。

图 3　左：镜像大 54 倍，验签只多 41%。右：同一颗芯片开 SHAKE 硬件加速前后。数据来源：wolfSSL 在 Cortex-M7 800MHz 的实测、Microchip 官方示例

Cortex-M7 在 800MHz 下验 ML-DSA-87，裸机测试程序 1004 字节，验签加启动 5.25 毫秒，折合 420 万个时钟周期；换成 54080 字节的 Zephyr 镜像，7.40 毫秒，592 万个周期。载荷大了 54 倍，周期只多 41%。

固件有几万行代码、镜像几百 KB 的产品，验签引入的开销可以忽略；反过来，只有几 KB 的小固件，固定成本占比会很高，这时候要不要预留几十毫秒的开机时间就要算一下。

五、四家的做法

硬件加 SHAKE 是最直接的一招。Microchip 给 dsPIC33A 的部分器件加了 SHA-3 和 SHAKE 引擎，官方示例给出的数据是 ML-DSA-87 验签由 46.378 毫秒降到 11.683 毫秒，编译优化 -Os，降幅 75%。工程默认开的是 -O1，那个配置下大约是 15 毫秒。加密加速器本身覆盖 AES、SHA-2、ECC、RSA 和 TRNG，SHA-3/SHAKE 引擎是另配的，专门给 ML-DSA 和 ML-KEM 用。

图 4　Microchip 官方示例仓库的说明页：SHA-512 摘要打头，ECDSA P-384 与 ML-DSA-87 双签，ML-DSA-87 验签由 46.378 毫秒降到 11.683 毫秒。来源：GitHub 仓库 microchip-pic-avr-examples/dspic-bootloader-mdfu，dsPIC33AK256MPS306 示例 README

把 PQC 做进 SDK 是第二条路。瑞萨从 FSP 6.4.0 起，在 MCUBoot 的加密栈里加入 PQC 支持，镜像签名和运行时的镜像验证可以用 ML-DSA-44、ML-DSA-65、ML-DSA-87 三种参数集，选哪个由开发者按 Flash 和 RAM 的余量决定。这条路不改硬件，代价是全软件实现，验签时间取决于主频和编译优化。

第三条是混合签名。Microchip 的 dsPIC33A 官方示例把 ECDSA P-384 和 ML-DSA-87 绑在一起，任何一个验不过就拒绝安装。这是迁移期的稳妥做法，代价主要在验签时间：两个签名是先后各验一遍，按 M33 那组数据算，193.9 毫秒加 63.3 毫秒约 257 毫秒，等于单签 ML-DSA-87 的四倍。体积增加不多，两个签名加起来 4723 字节，比单签 ML-DSA-87 只多 96 字节。另一个代价是防降级：一旦强制了双签，就不能允许退回只用经典算法。

第四条是专用硬件加哈希签名。英飞凌在 PSOC Control C3 的 Main Line 上把 SHA-2 384/512 做成硬件加速器，再加一个 LMS 验签引擎，用在安全启动和固件更新。

LMS 的签名长度由参数集定死，和镜像多大无关。NXP 在 MCUXpresso 的 TF-M 文档里给的数是公钥 32 字节、SHA256_H10 配 Winternitz 8 的签名 1912 字节。32 字节只是 Merkle 树的根；签名里装的是 34 条 Winternitz 链，每条一个 32 字节的哈希值，加 32 字节随机值，再加 10 层认证路径，每层 32 字节，末尾是几段 4 字节的头。文档给的是总数，没列分项，预留 Flash 按 1912 算。验签全程只做哈希，正好吃满这颗芯片的 SHA-2 加速器。

图 5　MCUXpresso SDK 的 TF-M 文档中 BL1_2 的后量子验签一节，公钥 32 字节、签名 1912 字节出自此处。来源：NXP MCUXpresso SDK 文档《BL1 Immutable bootloader》

六、为什么 CNSA 2.0 指定 LMS

NSA 的 CNSA 2.0 在固件签名这一项上点名的是 LMS 和 XMSS，两者都出自 SP 800-208。原因不在性能。

LMS 基于 Merkle 树，安全性只依赖底层哈希函数，不引入新的数学难题假设。格密码虽然在密码分析上站得住，但它的安全假设比哈希函数年轻得多，一条要服役二十年的信任根，选假设更少的那个更稳。

代价是有状态。LMS 的私钥是一组一次性密钥，每个叶子只能用一次，签两次同一个叶子，攻击者就能伪造。所以签名端必须先把索引写进持久存储再出签名，且禁止备份、克隆和快照。SP 800-208 的要求是签名在硬件密码模块里完成，纯软件实现不算合规。

设备端没有这个问题。设备只验签，公钥和树根是固定的。选型时常有人把这个限制套到整条链上，实际上它只约束签名那一端。

时间表是硬的。CNSA 2.0 要求固件签名从 2025 年起优先支持、2030 年起独占，2027 年 1 月 1 日之后的新采购必须合规，2035 年全面完成。欧盟的 CRA 是另一条线，主要义务 2027 年 12 月 11 日适用，制造商要在整个支持期内提供安全更新。

七、怎么选

固件可以更新的产品，用 ML-DSA。无状态，验签不依赖索引管理，参数集按 Flash 余量选，一般用 65，空间特别紧就 44，高保证场景用 87。

出厂后不能改的 ROM 信任根，用 LMS 或 XMSS。密钥锁在 HSM 里，私钥叶子范围提前分好，公钥的哈希烧进熔丝。

过渡期要不要双签，看客户或法规是否强制。要双签，就把“两个签名都必须通过”写进受保护的位置，不要放在配置文件里。

硬件加速要不要加，看开机时间预算。46 毫秒和 11.7 毫秒的差别，对常年通电的工业设备不算什么，对每次唤醒都要重启的电池设备就是另一回事。

这几项现在都有实测数据可以查，不用再按“后量子太重 MCU 跑不动”这个印象做判断。

数据来源：wolfSSL 对 FRDM-RW612 与 Cortex-M7 的验签实测、Microchip dsPIC33A 安全启动与 MDFU 引导程序官方示例（1.3.0）、瑞萨 RA MCU 知识库 FSP 6.4.0 PQC 说明、英飞凌 PSOC Control C3 Main Line 产品简介与新闻稿（2026 年 10 月 19 日）、FIPS 204、FIPS 205、RFC 8554 与 SP 800-208、CNSA 2.0 时间表

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