车载信息安全不可不看的安全启动

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为了保证保证将要运行的目标代码是可信的且完整的，目前主机厂都提出了安全启动的要求。为了快速启动，因此需要HSM这种高效的代码、加密引擎的硬件加速能力、可信的启动引导程序。

安全启动的需求主要包括：1. 用户代码执行前均需要被验证；2. 上电之后50-100ms内具备接收NM报文和发送报文(普通报文或NM报文)的能力；3. 启动时采用对称加密算法。目前常用的启动方式有两种：顺序启动方式和阶梯式启动。

HSM在TC397上是一个ARM-M4内核的处理器，它可以直接通过bridge寄存器来交换信息，也可以通过共享内存来交换大数据，如下图所示。

HSM和Host通信的寄存器

HSM是一个独立的处理器，在TC397中的内存划分如下所示。

HSM内存划分

2.1 顺序启动方式

顾名思义，顺序启动就是先启动HSM，然后校验完HSM的bootloader和APP后，再去校验应用程序的bootloarder、APP和data等，具体如下所示。

顺序启动

2.2 阶梯式(Staged)启动

为了解决顺序启动时间过长的问题，我们又可以采取阶梯式启动，如下所示。

阶梯式启动

如图校验完应用的BootloaderCAN协议栈和OS就开始执行应用，剩余的应用同步校验。这样可以减少启动时间，同时快速参与到网络管理和报文收发中。

2.3 混合启动

为了加快启动速度，还可以将应用的信息协议栈通OS和CAN协议栈一起校验后启动，此时就可以在应用中校验其余还未被校验的应用代码(如以太网协议栈、用户代码等，在TC397的Tricore1.6.2P架构中HSM是ARM-M4内核，其处理速度是小于Tricore内核的，甚至于此时可以用HSM和Tricore共同来校验剩余代码)，如下图所示。

校验方法可以通过以下三种方式来进行：代码的hash值(整个代码使用SHA-2-256算法计算hash值，并将hash值存储在HSM的NVM中(该值必须是被保护的))、签名验证（经过HASH后的代码连同hash一起使用RSA2048计算签名）和消息认证(MAC, Message Authentication Code)。下边我们来说一下为什么要采用这三种方式。

3.1 hash

hash函数可以对任意输入产生固定长度的摘要值，因此输入的任何改变都会导致摘要值发生变化，同时也无法通过摘要值反推、构造出消息本身，因此hash函数可以保证EcuA发给EcuB的信息不会被篡改。

但hash值无法保证消息的广义完整性，即可能出现如下情况：作为hacker的EcuC可以改变EcuA的消息然后根据消息重新计算hash值再发给EcuB,这个时候EcuB是无法识别到的，因此需要消息认证(Message Authentication)来确保这条信息就是真正的通信对方发过来的，而不是hacker!

3.2 消息认证

消息认证一般是使用加密和解密算法，只会接收和执行拥有密钥方的指令。之前已经分析过，其实E2E中的dataid就相当于是一个EcuA和EcuB拥有的密钥，只有拥有这个密钥的人发过来的信息才是经过验证的。和之前CAN计算CRC需要data id这把密钥参与一样，在安全升级过程中发送的信息除了消息本身，还有一个摘要值(hash值)，该hash值是根据消息和共享密钥计算的，而接收方也是根据消息和共享密钥计算hash值，只有该值和发送方的hash值一致时才认为是有效消息，即使hacker截获了消息，但是由于它没有共享密钥，因此它计算出的hash值和接收方的也是不匹配的。

3.3 签名

名其实也就是做消息认证，只是上边的共享密钥是基于对称加密算法，而签名是基于非对称加密算法的，其过程如下所示：

1. EcuA先对消息做hash计算得到摘要值；

2. EcuA使用私钥对hash得到的摘要值进行签名运算；

3. EcuB收到后先利用公钥对EcuA的签名进行验签，得到一个值，再对消息做hash计算得到摘要值与验签值进行比较，若相同则证明消息确实是EcuA发送过来且未被更改的。

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