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没有密钥安全就没有网络安全
2020-04-30 22:36:11· 来源：Vector维克多
越来越多的车辆连接到外部IT系统以支持新的功能和业务模式。为了保护联网车辆免遭网络攻击，密钥加密的方法正在被使用，其安全性基于相应的密钥材料。对于密钥管
越来越多的车辆连接到外部IT系统以支持新的功能和业务模式。为了保护联网车辆免遭网络攻击，密钥加密的方法正在被使用，其安全性基于相应的密钥材料。对于密钥管理而言，需要应对解决哪些挑战呢？采用AUTOSAR定义的实现方式又将带来什么好处呢？
多年以前，车辆中就开始部署与安全相关的功能。数据加密和数字签名等加密操作已经被使用，例如安全防盗系统和ECU安全刷新。车辆互联化的趋势扩大着车辆的功能范围，比如，远程（OTA）软件更新、远程功能激活以及车辆与基础设施之间的通信（V2X）。这些应用案例均可为汽车行业创造有趣且非常有前景的商业模式。然而，随着车辆互联的程度愈来愈高，对车辆网络攻击的潜在方式也越来越多。
密钥：网络安全的基础
汽车行业正在制定部署自己特定的安全措施或从传统IT领域借鉴相关通信协议以应对网络攻击的风险。例如，AUTOSAR中已经被标准化的安全车载通信系统（SecOC），用来保护车辆内ECU之间的网络通信。根据总线技术和具体的应用，还可以使用IT领域中的安全传输层协议（TLS）和互联网安全协议（IPSec）。所有现代安全机制的特点是安全性更多的取决于密钥的保护，而不是使用何种加密算法。为了进一步提升安全性，任何给定的密钥只能用于一种安全应用场景。
越来越多的网络安全应用导致很多ECU需要存储大量加密材料，如密钥、私钥/公钥对和证书。在这个背景下，密钥的存储和管理就变得越来越重要，它们之间的差异会在下面进行讨论。
安全地保存密钥
近年来，加密硬件的标准化有了进一步的进展。一个特殊的硬件单元——硬件安全模块（HSM），能够安全地存储密钥和加速加密计算。
AUTOSAR已经针对密钥模块和密钥服务（Figure 1）在基础软件的实现进行了标准化。这些模块基于软件库或者HSM（Figure 2）提供用于访问安全功能的标准化接口。这种软硬件结合的方式使得在ECU中可以高效且安全地存储密钥。
Figure1:The purpose of the AUTOSAR Crypto Stack is to model keys and to make use of cryptographic services
Figure2:Architecture of a Hardware Security Module (HSM)
安全地保存密钥
密钥不仅仅在日常工作模式下使用，在车辆的整个生命周期里都需要使用到密钥并进行密钥管理（Figure 3）：
- ECU开发阶段：在ECU中保存初始密钥。
- 车辆集成阶段：用开发密钥替换初始密钥。
- 车辆生产阶段：用生产密钥替换初始密钥或开发密钥。除此以外，通常还需要安装外部密钥或者从已存在于车辆中的密钥派生出新的密钥。如果密钥是在ECU之间共享的，那么必须确保这些密钥的保密性和完整性。例如，绝对不能以纯文本的形式在总线上发送密钥。
- 售后和淘汰阶段：更新或者安装额外的密钥。例如，远程功能激活就需要合适的新密钥。当需要更换有故障的ECU时，必须要采取相应的措施来保障关键的密钥不会被任何方式读取和篡改。同时新的ECU也需要提供合适的密钥来保障正常的功能执行。
Figure3:Key management ranges over the entire vehicle life cycle
密钥管理策略
以SecOC为例介绍多样化的密钥管理策略。SecOC主要用来验证车辆中ECU之间的通信，可以帮助数据接收方检测数据是否重发，检查发送方的真实性以及评估传输数据的完整性。因此，接收方就需要验证消息认证码（MAC）。MAC本质上就是密码校验和，即发送方生成数字签名，接收方检查其有效性。一旦MAC检查失败，接收方就会拒绝接收该消息。出于通信实时性的考虑，MAC选择用对称加密算法。
在这种算法中，发送方和接收方会采用相同的密钥去分别生成和检查MAC。在密钥整个生命周期内，密钥都需要妥善地保护好。因此，密钥不允许在车辆内部或外部网络之间进行没有保护的传输。
下文还会提到生产期间密钥的生成和安装。这些不同的密钥策略不会在本文进行评估，这里只是告诉大家在实践当中，存在多种不同的密钥管理解决方案，甚至对于相同的使用场景，也可以选择不同的方案。下面介绍在SecOC中，密钥是如何生成和分配的。
非车载的密钥生成
有一种策略是使用一个非车载的密钥管理服务器去生成SecOC所需的密钥。这个服务器必须要有车辆中ECU信息和SecOC所需密钥的需求信息。ECU会在生产过程中获得所需密钥。因为保密安全的需要，所以在传输过程中要对密钥进行加密保护。ECU在存储密钥之前需要检查其真实性和完整性。
车载协调器的密钥生成
车辆生产期间，诊断仪会将一个经过认证的例程请求发给车载协调器，用来生成SecOC密钥。首先，充当协调器功能的ECU会生成一个通用的车辆密钥，通过密钥协议和临时的安全通道把这个通用密钥发送给其它ECU。基于这个密钥和密钥的派生协议，每个ECU都会生成合适的SecOC密钥。因为执行密钥协议需要相当长一段时间，所以它仅适用于密钥的生成和分配。使用刚刚生成的密钥，所有的ECU都可以通过SecOC进行安全高效的通信。这样做可以避免新的密钥分配带来的安全隐患。
无车载协调器的密钥生成
跟车载协调器的密钥生成一样，密钥在车辆内生成。只不过生成密钥的请求不再发送给负责协调的ECU，而是直接发送给目标ECU。每个ECU都知道自己所在组的成员，并且它们会启动多阶段的密钥协议。组内的成员相互交换信息以生成共享密钥，从而无需通过总线发送密钥。一旦组内的所有ECU都计算出了共享密钥，那么每个成员都会根据密钥的派生规范生成SecOC所需的密钥。
标准化现状
由于此前没有关于密钥管理的标准化方案，各OEM会采取私有的解决方案，这样会导致因为解决相同类型的问题而开发和维护不同解决方案的情况，从而产生额外成本的增加。另外一个考虑因素是密钥管理通常不具有差异化产品特征，因此密钥管理的标准化在AUTOSAR 4.4中得到了实现，并且制定了用于密钥管理的专用模块KeyM（Figure 4），该模块由密钥和证书两个子模块组成。
密钥子模块提供处理密钥的功能。密钥处理过程分为不同的阶段，在最后阶段，密钥在ECU的HSM中导出或存储。KeyM模块中没有实现OEM定义的逻辑，而是把相应逻辑作为密钥处理程序放在应用层实现（Figure 4）。
证书子模块用于解析、验证和安装证书，可以读取证书已定义元素的值，从而用于进一步的处理。在最后阶段，证书将被存储在ECU的非易失性内存（NVM）或HSM中。
Figure 4:In AUTOSAR, key management is implemented by the KeyM model with its two sub-modules Crypto Key and Certificate.
标准化的挑战
密钥管理与OEM和供应商的开发、生产以及售后流程密切相关。因为密钥已经被用于某些功能中，在一些IT基本架构中也都存在，例如公钥基础设施（PKI）和密钥服务器，所以OEM更倾向于复用已有的基础架构，因此标准化的可能也就受到了限制。现有的或规划中的基础架构还会影响是否选择车载或非车载的方法来生成密钥。此外，密钥管理还受OEM定义的安全目标影响，这些目标会有不同的考虑因素，例如在开发、生产和售后服务环境中的安全性假设。举例来说，关于内部生产环境是否安全存在不同意见。这些假设会直接影响在生产和售后环节引入密钥时所采取的保护性措施。所需的产品性能要求也会影响密钥管理。例如，如果需要在几秒钟内把密钥分配给所有ECU，那么密钥管理策略就需要为此而进行设计。
通过标准化减少方案数量
加密算法和相关密钥材料构成了现代汽车安全机制的基础。它们用于保护创新功能和基础业务模型免受攻击。
迈向标准化的第一步是在AUTOSAR中引入KeyM模块。它没有对特定的密钥管理策略标准化，而是为不同策略提供了通用接口。汽车行业应该集中精力协商密钥管理策略，使密钥处理策略的标准化成为可能，从而减少实践中的解决方案数量。高度标准化的优势在于降低开发和维护成本。
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