Rust、零信任与高保证系统：为什么开发者该关注“硬件/软件共保证”

最近刷新闻的时候，我发现“零信任架构”越来越火。乍一听，这名字有点高大上：意思就是，不管是公司内部还是外部，任何人访问系统都不能默认信任，一切都要验证权限。作为开发者，你可能会想——哇，这不意味着我要写一堆复杂验证逻辑吗？没错，而且数据结构、算法、甚至硬件实现，都要保证“绝对安全”，这就是零信任带来的挑战。

在探索零信任系统的时候，我发现一个很有趣的趋势：Rust 不仅在软件开发里火起来，还开始进入硬件设计的高保证领域。今天就想用这篇文章，带你看看 Rust 在零信任、硬件/软件共保证（hardware/software co-assurance）中的实际应用，并顺便聊聊一些我个人觉得很实用的工具。

一、为什么零信任需要高保证语言

零信任架构的核心理念很简单：不默认信任任何人。

• 任何通信都要验证身份
• 所有数据访问都必须授权
• 代码和系统组件需要经过严格验证

听起来很抽象，但现实中，这意味着你得对每个环节都“把关”，尤其是数据结构和加密算法。稍微一疏忽，就可能产生安全漏洞。

在传统开发里，很多高性能系统还是用 C/C++。性能是没问题，但安全漏洞层出不穷。很多漏洞都源自内存管理问题：越界访问、悬空指针、未初始化变量……这些在零信任系统里都是大忌。

于是，Rust 的出现让人眼前一亮。

二、Rust 的特别之处

Rust 是一门现代编程语言，亮点主要有三点：

1. 内存安全 & 类型安全 Rust 的编译器会帮你检查内存使用问题，即使你粗心，也不容易踩坑。
2. 接近 C/C++ 的性能 没有 GC 拖慢，生成的二进制效率高。
3. 形式化验证友好 对于高保证系统，Rust 代码更容易进行形式化分析或自动化验证。

举个例子，我在做零信任实验时，需要实现一个循环队列（Circular Queue），既可能用于软件，也可能映射到硬件实现。在 Rust 里写起来就是：

#[derive(Copy, Clone)]

struct CQ {

front: usize,

rear: usize,

arr: [i64; CQ_SZ],

}

fn CQ_enqueue(value: i64, mut CObj: CQ) -> (u8, CQ) {

if CQ_isFull(CObj) {

return (CQ_FULL, CObj); // 队满了就别往里塞了

} else {

if CObj.front == CQ_SZ {

CObj.front = 0;

CObj.rear = 0;

} else if CObj.rear == CQ_MAX_NODE {

CObj.rear = 0;

} else {

CObj.rear += 1;

}

CObj.arr[CObj.rear] = value;

return (CQ_OK, CObj);

}

}

注意看这个 enqueue 函数：Rust 的类型系统和所有权规则让你不小心访问越界就报错，开发体验其实比 C/C++顺手多了。

三、硬件/软件共保证与高保证系统

零信任系统里，光写软件是不够的。尤其是航空、无人驾驶、国防等场景，硬件也必须保证安全。

传统做法是用 Algorithmic C 或类似 HLS（高层次综合）语言，把算法写成 C 子集，再综合成硬件。但 C 继承了很多安全隐患，难以做严格形式化验证。

于是，研究者提出了 Restricted Algorithmic Rust（RAR）：

• 受 RAC（Restricted Algorithmic C）启发
• 通过源到源转换（transpile）把 RAR 代码转换成 RAC
• 再利用现有的硬件/软件共保证工具链验证硬件/软件实现

简单来说：用 Rust 写算法，既能跑软件，又能直接映射到硬件，还能保证安全性。

四、RAR 示例：高保证循环队列

在 RAR 里实现循环队列，看起来和普通 Rust 很像，但可以直接做形式化验证：

#[derive(Copy, Clone)]

struct CQ {

front: usize,

rear: usize,

arr: [i64; CQ_SZ],

}

fn CQ_hd(CObj: CQ) -> (u8, i64) {

if CQ_isEmpty(CObj) {

return (CQ_EMPTY, 0);

} else {

return (CQ_OK, CObj.arr[CObj.front]);

}

}

RAR 可以用工具链自动转成 ACL2 代码，做数学证明：

(DEFUN CQ_HD (COBJ)

(IF1 (CQ_ISEMPTY COBJ)

(MV (BITS 254 7 0) (BITS 0 63 0))

(MV (BITS 0 7 0)

(AG (AG 'FRONT COBJ) (AG 'ARR COBJ)))))

这个过程在传统 C/C++ 中几乎做不到。写出来的代码不仅安全，还能做严格的形式化验证。

五、加密原语在零信任里的实践

零信任系统的核心就是 数据安全，加密算法不可或缺。

研究团队把 Monocypher 加密库移植到了 RAR：

• 哈希函数 Blake2b
• 对称加密 XChacha20 + Poly1305
• 公钥算法 X25519

移植之后，不仅保证了安全性，还基本保持了原有的性能：

<!--br {mso-data-placement:same-cell;}--> td {white-space:nowrap;border:0.5pt solid #dee0e3;font-size:10pt;font-style:normal;font-weight:normal;vertical-align:middle;word-break:normal;word-wrap:normal;}

换句话说，用 Rust/RAR 写零信任加密算法，不用担心性能掉太多，同时还获得类型安全和内存安全。

六、零信任实践心得

从开发者视角来看：

1. Rust 上手门槛比想象中低 只要掌握所有权、借用规则和基础类型系统，就能快速写安全代码。
2. 硬件/软件共保证工具链有效 Plexi + RAC + ACL2 工具链，可以把软件算法自动映射到硬件，实现形式化验证。
3. 现代化开发体验 相比 C/C++，编译器帮你抓各种低级 bug，开发效率反而更高。

如果你想快速搭建类似实验环境，不妨试试 ServBay。我个人用它做 Rust/HLS 测试，环境部署方便，数据全在本地，不用担心隐私问题，非常适合做零信任原型开发。

七、总结

• 零信任要求每一环节都必须高保证
• Rust 提供类型安全、内存安全、性能优秀的现代化开发体验
• RAR 让 Rust 可用于硬件/软件共保证，适合高安全/低延迟场景
• 加密算法和数据结构都可以形式化验证
• 对开发者而言，Rust + RAR + ServBay 是一个值得尝试的组合

总之，如果你对零信任系统、嵌入式安全或高保证系统感兴趣，Rust 已经不只是“写软件的语言”，而是整个硬件/软件共保证生态的一部分。