Chapter 12

永続鍵とライフタイム — 電源を切っても残る鍵の扱い

この章のゴール.
寿命（lifetime）の 32 ビットが持続性と場所に分かれていることを理解し、永続鍵の ID を設計し、「揮発鍵と永続鍵のどちらにするか」を目的から決められるようになること。永続鍵がどこに、どう保存されているかを知り、その安全性の限界を説明できること。
この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. PSA（01 章 1 節）、ビット（02 章 4 節）、場所（03 章 7 節）、持続性（03 章 7 節）、import（04 章 10 節）、作成（04 章 1 節）、使用（04 章 1 節）、破棄（04 章 1 節）、MAC（06 章 1 節）、AES（07 章 1 節）、平文（08 章 1 節）、認証（09 章 1 節）、ECDH（11 章 1 節）、共有秘密（11 章 1 節）、鍵合意（11 章 1 節）

1. 揮発鍵と永続鍵

	揮発鍵（volatile）	永続鍵（persistent）
寿命定数	`PSA_KEY_LIFETIME_VOLATILE`（0）	`PSA_KEY_LIFETIME_PERSISTENT`（1）
ID	実装が割り当てる（`psa_import_key` の出力）	自分で決めて `psa_set_key_id()`
保存先	RAM のみ	不揮発ストレージ（ITS。13 章）
消えるとき	`psa_destroy_key()`、`mbedtls_psa_crypto_free()`、電源断	`psa_destroy_key()` のみ
作る回数	起動ごと	1 回だけ（2 回目は `ALREADY_EXISTS`）
向く用途	セッション鍵、一時 ECDH 鍵、毎回 import する公開鍵	装置の署名鍵、長期の共有鍵、工場書き込みの秘密

「揮発が既定」である。永続にするのは「次の起動でも同じ鍵が要る」ときだけにする。永続鍵はストレージを消費し、作成にフラッシュ書き込み（数 ms）を伴い、そして何より消し忘れると残り続ける。

既定は揮発。永続鍵はストレージを使い、消し忘れると残り続ける

2. 寿命の中身 — 持続性と場所

03 章で述べたとおり、psa_key_lifetime_t は 2 つの情報を持つ。

\[ \text{lifetime} = (\text{location} \ll 8) \mid \text{persistence} \]

psa_key_lifetime_t lt = PSA_KEY_LIFETIME_FROM_PERSISTENCE_AND_LOCATION(
                            PSA_KEY_PERSISTENCE_DEFAULT,               /* 永続 */
                            PSA_KEY_LOCATION_PRIMARY_SECURE_ELEMENT);  /* セキュアエレメントに置く */
psa_set_key_lifetime(&attr, lt);

/* 分解 */
PSA_KEY_LIFETIME_GET_PERSISTENCE(lt);   /* 1 */
PSA_KEY_LIFETIME_GET_LOCATION(lt);      /* 1 */
PSA_KEY_LIFETIME_IS_VOLATILE(lt);       /* 0 */

持続性（下位 8 ビット）	値	意味
`PSA_KEY_PERSISTENCE_VOLATILE`	0x00	揮発
`PSA_KEY_PERSISTENCE_DEFAULT`	0x01	永続。通常の不揮発保存
`PSA_KEY_PERSISTENCE_READ_ONLY`	0xff	永続かつ破棄不能。工場で焼かれた鍵、ハードウェアの固有鍵。`psa_destroy_key` は `NOT_PERMITTED`
0x02〜0xfe	—	実装定義（例: 「ファームウェア更新まで有効」など）

場所（上位 24 ビット）	値	意味
`PSA_KEY_LOCATION_LOCAL_STORAGE`	0x000000	PSA 実装自身が管理する（Mbed TLS のメモリ、または ITS）
`PSA_KEY_LOCATION_PRIMARY_SECURE_ELEMENT`	0x000001	主セキュアエレメント。鍵の値はそのチップの中から出ない
0x000002〜0x7fffff	—	追加のセキュアエレメント、暗号アクセラレータなど（実装定義）
0x800000〜	—	ベンダ定義

場所が 0 以外の鍵は、「ドライバ」が処理する（15 章）。 ST の STSAFE、NXP の SE05x、Infineon の OPTIGA といった外付けセキュアエレメントに鍵を置くとき、アプリケーションのコードはこの lifetime を指定する以外、何も変わらない。 psa_sign_hash() を呼べば、実装が「この鍵はセキュアエレメントにある」と判断してそのチップに署名を依頼する。これが PSA の「実装の差をアプリケーションから隠す」設計の、最も価値のある部分である。

上位が「どこに置くか」、下位が「残るか」。場所を変えるだけでセキュアエレメントに移る

3. 鍵 ID の設計

永続鍵の ID は PSA_KEY_ID_USER_MIN（1）〜 PSA_KEY_ID_USER_MAX（0x3FFFFFFF） の範囲で自分で決める。プロジェクトの中で1 つのヘッダに集める。

/* keys.h — プロジェクト全体の鍵 ID 台帳 */
#define KEY_ID_DEVICE_SIGN      ((psa_key_id_t)0x00010001)  /* 装置認証用 ECDSA P-256 鍵ペア。工場で生成 */
#define KEY_ID_DEVICE_ECDH      ((psa_key_id_t)0x00010002)  /* 静的 ECDH 用（使うなら） */
#define KEY_ID_OTA_VERIFY_PUB   ((psa_key_id_t)0x00020001)  /* 更新イメージ検証用の公開鍵 */
#define KEY_ID_CONFIG_AEAD      ((psa_key_id_t)0x00030001)  /* 設定領域の AES-GCM 鍵 */
#define KEY_ID_LOG_MAC          ((psa_key_id_t)0x00030002)  /* ログの HMAC 鍵 */

上位 16 ビットを「区分」（0x0001 = 装置固有、0x0002 = 検証用公開鍵、0x0003 = データ保護）、下位 16 ビットを通し番号にすると整理しやすい
0x40000000 以上は使わない。TF-M の組み込み鍵（ハードウェア固有鍵、アテステーション鍵）は 0x7FFF0000 前後に置かれることが多く、Mbed TLS は揮発鍵にこの範囲の ID を割り当てる
同じ ID を「別のプロジェクト、別のファームウェア」で違う意味に使わない。ストレージに残った古い鍵を新しいコードが「自分の鍵」だと思って使う事故が起きる
鍵 ID は秘密ではない。分かっても鍵は使えない（TF-M では、他のクライアントが作った鍵は ID を知っていても使えない。16 章）

範囲	誰が使うか
0	`PSA_KEY_ID_NULL`（鍵なし）
0x00000001〜0x3FFFFFFF	アプリケーション（永続鍵）
0x40000000〜0x7FFFFFFF	実装（揮発鍵の自動 ID、組み込み鍵、ベンダ用）
0x80000000〜	実装（さらに予約）

永続鍵の ID はアプリケーション範囲から選び、台帳で一元管理する

4. 永続鍵はどこにどう保存されているか

Mbed TLS の場合、MBEDTLS_PSA_CRYPTO_STORAGE_C を有効にすると、永続鍵は ITS（Internal Trusted Storage）の API（13 章）を通して保存される。

PC 上の Mbed TLS では、MBEDTLS_PSA_ITS_FILE_C によりカレントディレクトリに 00000000<id> のようなファイルが作られる。平文である（保護は OS のファイル権限だけ）
マイコンで TF-M を使う場合、ITS はセキュア側のフラッシュ領域に置かれ、非セキュア側からは読めない。さらに TF-M の ITS は、書き込むデータを暗号化しない（「Internal Trusted」＝内部にあるから信頼する）——チップ内部フラッシュの読み出し保護（RDP など）が安全性の根拠になる
セキュアエレメントに置いた鍵（場所 ≠ 0）は、ストレージには鍵の値ではなく、セキュアエレメント内のスロット番号だけが保存される

つまり、永続鍵の安全性は「ITS がどこにあるか」で決まる。 Mbed TLS 単体をマイコンに載せ、ITS をアプリケーションと同じフラッシュに置いた場合、鍵はフラッシュ読み出し保護がなければ丸見えである。「PSA を使ったから安全」ではなく「PSA + TF-M + フラッシュ読み出し保護、またはセキュアエレメント」で初めて鍵が守られる。

同じ psa_generate_key でも、鍵の置かれる場所は環境で全く違う

5. 永続鍵の運用パターン

5.1 初回起動で生成する

04 章の「あれば使う、なければ作る」である。工場で個別に鍵を書き込む必要がなく、鍵が装置の外に一度も出ない。公開鍵はその後、装置が自分でサーバに登録する（または製造ラインで psa_export_public_key() して取り出す）。

5.2 製造時に注入する

共有秘密（マスター鍵から導出した装置鍵など）は、製造ラインで psa_import_key() により永続鍵として書き込む。注入用のコードは製品ファームウェアから外し、ライフサイクル（iotsec 編 14 章）を「Secured」に進めてから出荷する。

5.3 更新する

「鍵を差し替える」には psa_destroy_key() してから同じ ID で作り直す。その間に電源が切れると鍵がない状態になるので、新しい鍵を別 ID で作ってから、参照を切り替え、古い鍵を消す（2 段階）ほうが安全である。

5.4 揮発鍵を永続化する

導出や鍵合意で作った揮発鍵を保存したいなら、psa_copy_key()（04 章）で寿命だけ変えた複製を作る（元の鍵に PSA_KEY_USAGE_COPY が要る）。または、導出時の output_key() の属性に最初から永続寿命と ID を指定する。

6. 起動シーケンスとの関係

永続鍵は psa_crypto_init() の時点では読み込まれない。初めてその ID が使われたときにストレージから読まれ、以後メモリにキャッシュされる（psa_purge_key() で追い出せる）。だから起動は速いが、最初の署名だけ数 ms 遅いことがある。起動直後の応答時間が厳しいなら、初期化中に psa_get_key_attributes() を呼んで先に読み込ませる。

TF-M では、鍵スロット数（MBEDTLS_PSA_KEY_SLOT_COUNT、既定 32 程度）に上限がある。永続鍵を数十個も同時に開くと PSA_ERROR_INSUFFICIENT_MEMORY になる。使い終わった永続鍵は psa_purge_key() でスロットを空ける。

7. 手を動かす

ライフタイムと鍵 ID を組み立てる

8. 仕様書に逃がす

関数・定数	用途
`PSA_KEY_LIFETIME_IS_READ_ONLY(lt)`	破棄不能かどうか
`PSA_KEY_ID_VENDOR_MIN` / `PSA_KEY_ID_VENDOR_MAX`	実装側の ID 範囲
`mbedtls_svc_key_id_make(owner, id)` / `MBEDTLS_SVC_KEY_ID_GET_KEY_ID()`	Mbed TLS の「所有者付き鍵 ID」（TF-M 環境で内部的に使う）
`psa_get_key_slot_number()`	セキュアエレメント内のスロット番号を得る（ドライバ開発向け）

この章のポイント

既定は揮発。次の起動でも要る鍵だけを永続にする
寿命 = 場所（上位 24 ビット）+ 持続性（下位 8 ビット）。場所を変えるだけで鍵がセキュアエレメントに移り、アプリケーションのコードは変わらない
永続鍵の ID は 1〜0x3FFFFFFF をプロジェクトの台帳で一元管理
永続鍵の安全性は ITS がどこにあるかで決まる。Mbed TLS 単体のファイル ITS は平文
永続鍵は初回使用時に読み込まれる。差し替えは 2 段階で