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# 🔐 安全设备 Demo — Android + Spring Boot
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> **场景**：高权限设备端（无登录）+ 用户端（有登录体系）+ SN 绑定 + 私密照片加密
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> **目标**：设备端 TEE 密钥不可导出、服务端零知识、恢复出厂后可安全恢复
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## 📐 架构总览
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┌─────────────────────┐ HTTPS ┌──────────────────────┐
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│ Android 设备端 │ ◄──────────────────► │ Spring Boot 后端 │
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│ (无登录/高权限) │ │ (用户有登录体系) │
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└─────────────────────┘ └──────────────────────┘
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│ │
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│ ① TEE 密钥对（Keystore） │ ① 用户主密钥（UK）
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│ ② AES-GCM 信封加密照片 │ ② DEK 信封加密存储
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│ ③ ECDSA 签名元数据 │ ③ SN 绑定 + 短信验证
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│ ④ 恢复出厂 → 新密钥对 │ ④ Recovery Token 下发
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│ ⑤ UK 解 DEK → 设备公钥加密下发
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## 🔑 密钥分层模型
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┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ │
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│ User Key (UK) — 用户主密钥 │
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│ ├── 生成：用户注册时创建（AES-256） │
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│ ├── 存储：服务端加密存储（生产环境用 KMS 托管） │
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│ └── 用途：加密所有 DEK │
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│ │
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│ Data Encryption Key (DEK) — 每照片一个 │
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│ ├── 生成：设备端 SecureRandom（每次随机） │
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│ ├── 加密：UK 加密后存服务端 │
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│ └── 用途：AES-256-GCM 加密照片 │
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│ │
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│ Device Key Pair — TEE 硬件密钥 │
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│ ├── 生成：Android Keystore（StrongBox 优先） │
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│ ├── 私钥：永不导出，仅签名/解密 │
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│ ├── 公钥：上传服务端，用于加密下发 │
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│ └── 销毁：恢复出厂时自动清除 │
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│ │
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└─────────────────────────────────────────────────────────┘
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```
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## 🔄 完整流程
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### Phase 1：设备注册 + 用户绑定
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设备端 后端 用户端
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│ │ │
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│── 生成 TEE 密钥对 ──────────│ │
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│── POST /api/device/register │ │
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│ {sn, publicKey} ──►│ │
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│ │── 存储 device(sn, pubKey) │
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│◄── {deviceId} ─────────────│ │
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│ │ │
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│ │◄── POST /api/device/bind │
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│ │ {userId, sn} │
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│ │── 绑定 userId ↔ deviceId │
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│ │◄── {ok} ────────────────────│
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```
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### Phase 2：拍照 → 信封加密 → 上传
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```
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设备端 后端
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│ │
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│── SecureRandom → DEK (256bit)│
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│── AES-GCM(photo, DEK) → ct │
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│── Sign(metadata, PrivKey) │
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│ │
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│── POST /api/photo/upload │
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│ {sn, ct, iv, dek, sig} ──►│
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│ │── 验签（PubKey）
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│ │── wrapDEK(dek, UK) → encDEK
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│ │── 存储 {ct, iv, encDEK, sig}
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│◄── {photoId} ───────────────│
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```
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### Phase 3：恢复出厂 → 短信验证 → 恢复
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```
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设备端(新) 后端 用户端
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│ │ │
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│── 新 TEE 密钥对 │ │
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│── POST /api/device/register │ │
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│ {sn, newPubKey} ──►│（旧设备自动停用） │
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│◄── {newDeviceId} ───────────│ │
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│ │ │
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│ │◄── POST /api/device/sms/send │
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│ │ {phone} │
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│ │── 发送短信 │
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│ │ │
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│ │◄── POST /api/device/recover │
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│ │ {userId, sn, smsCode, │
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│ │ newPubKey} │
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│ │── ① 验证短信 │── 输入验证码
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│ │── ② 确认 SN 归属 │
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│ │── ③ 生成 Recovery Token │
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│ │── ④ RSA(newPubKey, Token) │
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│◄── {encToken, nonce} ────────│ │
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│ │ │
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│── PrivKey 解密 Token │ │
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│── POST /api/photo/recover │ │
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│ {deviceId, token} ──►│ │
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│ │── ① 验证 Token │
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│ │── ② 遍历照片 │
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│ │── ③ UK 解 DEK → PubKey 加密 │
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│◄── [{photoId, encDEK}, ...] ─│ │
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│ │ │
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│── PrivKey 解密每个 DEK │ │
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│── AES-GCM 解密照片 │ │
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│── ✅ 照片恢复完成 │ │
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```
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## 📁 项目结构
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secure-device-demo/
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├── android-device/
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│ └── DeviceCrypto.java # Android 端完整安全模块
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│
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├── springboot-server/
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│ ├── pom.xml
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│ └── src/
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│ ├── main/
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│ │ ├── java/com/secure/demo/
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│ │ │ ├── SecureDemoApplication.java
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│ │ │ ├── controller/
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│ │ │ │ └── DeviceController.java
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│ │ │ ├── service/
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│ │ │ │ ├── KeyManagementService.java
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│ │ │ │ └── DeviceBindingService.java
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│ │ │ ├── model/
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│ │ │ │ ├── User.java
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│ │ │ │ ├── Device.java
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│ │ │ │ └── EncryptedPhoto.java
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│ │ │ └── crypto/
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│ │ │ ├── AesGcmUtil.java
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│ │ │ └── RsaUtil.java
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│ │ └── resources/
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│ │ └── application.properties
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│ └── test/
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│ ├── java/com/secure/demo/
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│ │ └── IntegrationTest.java
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│ └── resources/
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│ └── application-test.properties
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│
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└── README.md
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## 🚀 快速启动
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### 后端
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```bash
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cd springboot-server
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mvn spring-boot:run
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```
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### 测试
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```bash
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cd springboot-server
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mvn test
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```
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### Android 端集成
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将 `DeviceCrypto.java` 复制到 Android 项目的对应包路径下，
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在 `Application` 或 `MainActivity` 中初始化：
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```java
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DeviceCrypto crypto = new DeviceCrypto(context);
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// 注册
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String pubKey = crypto.getPublicKeyBase64();
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String sn = crypto.getDeviceSN();
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// → POST /api/device/register {sn, publicKeyBase64: pubKey}
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// 拍照加密
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byte[] photo = capturePhoto();
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DeviceCrypto.EncryptedPayload payload = crypto.encryptData(photo);
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String signature = crypto.signMetadata(sn + "|" + timestamp + "|" + photoId);
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// → POST /api/photo/upload {sn, photoId, ciphertextBase64, ivBase64,
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// dekBase64: payload.dekBase64,
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// metadataSignature: signature, metadata}
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```
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## 🛡️ 安全分析
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### 攻击场景 vs 防护
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| 攻击场景 | 结果 | 原因 |
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|---|---|---|
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| 设备被 root | 拿不到 TEE 私钥 | Keystore 硬件保护 |
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| 设备被盗 | 无法解密历史数据 | 无用户登录态 |
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| 恢复出厂 | 旧密钥销毁 | TEE 安全擦除 |
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| 服务端被拖库 | DEK 被 UK 加密 | 信封加密 |
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| SN 被伪造 | 无法绑定/恢复 | 需短信验证 + SN 归属校验 |
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| 短信被截获 | 仍需 SN 归属 | 多层校验 |
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| 旧设备残留 | 已停用 | 重新注册时停用旧设备 |
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### 安全原则
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1. ✅ **设备零信任** — 设备只持有签名密钥，不持有解密密钥
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2. ✅ **前向安全** — 每次恢复生成新密钥对
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3. ✅ **信封加密** — DEK 永不明文存库
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4. ✅ **短信 + SN 双因子** — 恢复必须两者同时通过
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5. ✅ **一次性令牌** — Recovery Token 含 nonce + 时间窗口
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## ⚠️ 生产环境注意事项
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| Demo 简化 | 生产环境应改为 |
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|---|---|
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| UK 直接存 DB | KMS 托管（阿里云 KMS / AWS KMS） |
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| 短信码随机生成 | 对接腾讯云/阿里云短信服务 |
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| 内存 ConcurrentHashMap | JPA + PostgreSQL/MySQL |
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| 明文 DEK 传输 | 设备端用服务端公钥加密 DEK 后传输 |
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| 无验签实现 | 服务端用设备公钥验证 ECDSA 签名 |
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| 无频率限制 | Redis 限流（短信/API） |
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| 无审计日志 | 所有密钥操作写审计表 |
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| Recovery Token 无过期 | 加 5 分钟时间窗口 + Redis 防重放 |
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## 📋 API 接口清单
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| Method | Path | 说明 |
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|---|---|---|
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| POST | `/api/device/register` | 设备注册（SN + 公钥） |
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| POST | `/api/device/bind` | 用户绑定设备 |
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| POST | `/api/device/sms/send` | 发送短信验证码 |
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| POST | `/api/photo/upload` | 上传加密照片 |
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| POST | `/api/device/recover` | 恢复设备（短信验证） |
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||
| POST | `/api/photo/recover` | 恢复后获取照片 DEK |
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| GET | `/api/photo/{id}/decrypt` | 用户下载并解密照片 |
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| GET | `/api/health` | 健康检查 |
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