作者 | 徐奕華 上海控安可信軟件創(chuàng)新研究院汽車網(wǎng)絡(luò)安全組

來源 | 鑒源實驗室

01

HSM背景與概念

1.1 HSM背景

汽車信息安全涉及到很多應(yīng)用場景，其中包括遠程的安全診斷和固件更新、隨機數(shù)生成和密鑰交換、安全啟動和即時的數(shù)據(jù)/代碼完整性校驗、安全的生命周期管理、安全的板上通訊（SecOC）。

針對汽車信息安全各類應(yīng)用場景，業(yè)界也給出了信息安全架構(gòu)。從需求角度看，定義包含威脅分析和管理的安全模型，現(xiàn)有的比如ISO 21434標(biāo)準(zhǔn)；從車載網(wǎng)絡(luò)角度看，根據(jù)當(dāng)前車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，依據(jù)安全目標(biāo)，實現(xiàn)相應(yīng)的安全策略，這些基本上由車廠定義；從ECU應(yīng)用層軟件的角度看，包含通訊服務(wù)模塊、安全服務(wù)模塊以及安全板上通訊模塊，在AutoSAR架構(gòu)下，有對這些模塊的規(guī)范；從MCU相關(guān)底層軟件角度看，包含底層驅(qū)動以及HSM固件；從硬件角度看，包含安全芯片以及安全協(xié)處理器（HSM）。

關(guān)于汽車信息安全硬件模塊的硬件級規(guī)標(biāo)主要包括SHE和EVITA HSM標(biāo)準(zhǔn)，如圖1，下面從結(jié)構(gòu)和功能兩個方面來描述。在SHE規(guī)范下，架構(gòu)需求是可配置的、有固定功能的，具體體現(xiàn)為SHE規(guī)范下均使用AES-128算法進行加解密，應(yīng)用程序工程師需要能夠?qū)HE Bootloader起始地址和大小進行配置，功能需求包括安全啟動、AES 128加解密算法、真?zhèn)坞S機數(shù)發(fā)生器、密鑰派生。在EVITA規(guī)范下，架構(gòu)需求是可編程的、安全的CPU，即安全計算核獨立于應(yīng)用程序核實現(xiàn)，與之相綁定的有獨立的安全存儲區(qū)域、硬件加速電路以及提供給應(yīng)用程序核調(diào)用的硬件接口，同時安全計算核的內(nèi)核代碼需要定期地升級迭代。功能需求下，EVITA項目制定了三個等級的規(guī)范，每個等級對功能要求逐級遞減。相對于SHE，EVITA功能中包含了非對稱算法的引擎需求、Hash引擎需求等等，并且對各層級的ECU需要的HSM硬件支持有了更細致的劃分，將成本效益考慮進HSM設(shè)計。那么在將來的硬件級規(guī)標(biāo)下，我們可以預(yù)想到在架構(gòu)方面可能對安全通訊模塊有加速的需求，在功能方面可能需要對更多的加解密算法支持，同時在國密算法逐漸被普及應(yīng)用的背景下，可想將來也會制定與國密相關(guān)的硬件級規(guī)標(biāo)。

圖1 汽車信息安全硬件模塊硬件級規(guī)標(biāo)

1.2 HSM概念

在簡單了解了信息安全架構(gòu)和信息安全硬件級規(guī)標(biāo)后，我們就能很容易地理解HSM的概念以及作用了。

在維基百科中，HSM有如下定義：HSM（Hardware Security Module，硬件安全模塊）是一種用于保障和管理強認證系統(tǒng)所使用的數(shù)字密鑰，并同時提供相關(guān)密碼學(xué)操作的計算機硬件加速設(shè)備[2]。

詳解定義，HSM主要有兩個功能：

第一個是存儲管理密鑰。由于應(yīng)用程序本身有權(quán)限讀取密鑰，并且其本身邏輯漏洞可能導(dǎo)致密鑰泄露，所以如果密鑰存儲在應(yīng)用程序的代碼或者數(shù)據(jù)中，那么就會變得不安全。同時如果硬件層面上不對密鑰進行隔離和保護，容易因為物理攻擊或者暴力提取導(dǎo)致密鑰泄露。為了解決密鑰泄露問題，增設(shè)硬件安全模塊，專門存儲管理密鑰，限制對密鑰的訪問。

第二個是加速加解密算法。通用內(nèi)核進行復(fù)雜的加解密算法運算通常會占用大量計算資源，而車上MCU通常對實時性有很高的需求。為了解決這個問題，增設(shè)硬件安全模塊，提供硬件層級的優(yōu)化，對各類加解密算法進行加速。 

1.3 EVITA HSM分級

上面提到的EVITA硬件級規(guī)標(biāo)是一種被廣泛接受和應(yīng)用的HSM硬件規(guī)范。本章主要介紹EVITA HSM的三種分級，具體如圖2。

圖2 EVITA HSM分級[3]

FULL EVITA HSM：該層級的HSM主要保護車載域免受V2X通訊安全漏洞的影響。這需要創(chuàng)建和驗證電子簽名，為了完成高效的簽名操作，需要一個非常高效的非對稱加解密引擎。該層級提供了所有不同HSM變體的最高級別的功能、安全性和性能。

Medium EVITA HSM：該層級的HSM著重于保護板上通訊。區(qū)別于FULL層級，Medium層級無需支持非對稱加解密引擎以及哈希引擎。不過在軟件層面，可以執(zhí)行一些對實時性要求不高的非對稱加密算法。出于效率與成本，板上通訊都基于對稱算法，省去非對稱算法引擎可以節(jié)省成本和硬件規(guī)模。

Light EVITA HSM：該層級的HSM專注于確保ECU和傳感器和執(zhí)行器之間通訊的安全。其僅需要包含一個對稱加解密引擎和對應(yīng)的經(jīng)過裁剪的硬件接口。因此，Light層級可以滿足嚴(yán)格的成本和效率要求。

02

HSM在SecOC中的應(yīng)用

SecOC模塊屬于AutoSAR里一個獨立的模塊，其目的是為PDUs級數(shù)據(jù)交互提供資源高效和實用的認證機制。也就是，SecOC模塊能為總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供身份驗證，可以有效地檢測出數(shù)據(jù)回放、欺騙以及篡改等攻擊手段。

圖3 SecOC在AutoSAR框架下的位置和信息流[4]

SecOC在AutoSAR框架下位置和信息流如圖3。SecOC從AutoSAR通訊棧中獲取消息，從新鮮度管理器獲取新鮮度，并且調(diào)用加解密接口對PDU和新鮮度計算消息認證碼（MAC），并且將包裝好的Secure I-PDU發(fā)送給下層鏈路層以及物理層。其中SecOC調(diào)用加解密接口時通過向HSM寄存器寫入對應(yīng)服務(wù)（SecOC一般為CMAC算法）的命令以及參數(shù)來使用HSM完成加解密算法，同時通過HSM/Host Interface寄存器控制對HSM的訪問。HSM內(nèi)核端維護對密鑰的管理和更新，防止密鑰泄露。

參考文獻：

[1]公開征求《汽車整車信息安全技術(shù)要求》等四項強制性國家標(biāo)準(zhǔn)的意見.

https://wap.miit.gov.cn/jgsj/zbys/gzdt/art/2023/art_04c9975d77f54f60bf678861e7503c46.html

[2]維基百科HSM定義.

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A1%AC%E4%BB%B6%E5%AE%89%E5%85%A8%E6%A8%A1%E5%9D%97

[3]SECURE AUTOMOTIVE ON-BOARD ELECTRONICS NETWORK ARCHITECTURE.

https://www.evita-project.org/Publications/AEHR10.pdf

[4]12月車規(guī)MCU系列直播預(yù)告.

https://zhuanlan.zhihu.com/p/314961393