結(jié)合汽車行業(yè)的特性，講一講網(wǎng)絡(luò)安全

導(dǎo)讀：

伴隨著“軟件定義汽車”的趨勢(shì)，車內(nèi)的軟件占比越來(lái)越大，在運(yùn)行時(shí)確定具體行為的部分越來(lái)越多，“網(wǎng)聯(lián)化”又使得車內(nèi)與外界的聯(lián)系越來(lái)越緊密，“網(wǎng)絡(luò)安全”這座大冰山也慢慢進(jìn)入汽車人的視野。同其他技術(shù)一樣，“網(wǎng)絡(luò)安全”相關(guān)的技術(shù)與問(wèn)題都可參考PC行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，但其又有汽車行業(yè)的一些特性。這篇文章，就將結(jié)合汽車行業(yè)的特性，講一講網(wǎng)絡(luò)安全。

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基本概念

1.1 功能安全與網(wǎng)絡(luò)安全

“功能安全”對(duì)汽車行業(yè)的工程師而言，是老熟人了，標(biāo)準(zhǔn)流程體系都很完善。隨著汽車的“網(wǎng)聯(lián)化”，“網(wǎng)絡(luò)安全”出現(xiàn)了，所以很多人第一反應(yīng)是“這兩者有什么區(qū)別”？

圖1網(wǎng)絡(luò)安全：網(wǎng)絡(luò)安全是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件、軟件及其系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)受到保護(hù)，不因偶然的或者惡意的原因而遭受到破壞、更改、泄露。功能安全：是指電子電氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)或?qū)嵤┥鲜艿奖Ｗo(hù)，從而避免其發(fā)生故障后導(dǎo)致的人身、財(cái)產(chǎn)損害。 這兩者的區(qū)別在于“網(wǎng)絡(luò)安全”防范的是外部的惡意，如車主的好奇心、黑客的攻擊等；而“功能安全”防范的是失效/故障，這個(gè)故障可能是自身老化/設(shè)計(jì)導(dǎo)致的，也可能由于外部的常見(jiàn)工況導(dǎo)致的，如沙塵、振動(dòng)、下雨等。 這兩者也是互相關(guān)聯(lián)的，比如說(shuō)網(wǎng)絡(luò)安全也可能導(dǎo)致功能失效，因此建議各個(gè)有功能安全要求的，最好也考慮一下網(wǎng)絡(luò)安全。這一塊很多文章都講的比較多，大家可以自行搜索一下。

1.2 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的目的

上文中提到網(wǎng)絡(luò)安全防范的是“外部的惡意”。對(duì)一個(gè)系統(tǒng)而言，“外部的惡意”是存在極大的不確定性的，取決于以下幾個(gè)因素：

當(dāng)前系統(tǒng)對(duì)攻擊者的價(jià)值

當(dāng)前系統(tǒng)與攻擊者的關(guān)系

攻擊者的心情

攻擊者的興趣

....

這些因素除了第1條之外，其他的都是無(wú)法預(yù)測(cè)、無(wú)規(guī)律的，除了勸你為人低調(diào)一些之外好像毫無(wú)辦法，所以，我們只能針對(duì)“當(dāng)前系統(tǒng)對(duì)攻擊者的價(jià)值”對(duì)“外部的惡意”來(lái)進(jìn)行評(píng)估。而攻擊者的目的呢，相應(yīng)的我們也簡(jiǎn)化為理性的“獲取利益”。

所以，從理性的角度上來(lái)講“網(wǎng)絡(luò)安全”就是一場(chǎng)“道高一尺，魔高一丈”、“無(wú)止盡”的攻防游戲。

圖2

而網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的目的與其他的攻防游戲一樣，是“讓攻擊者付出的代價(jià)比攻破此系統(tǒng)帶來(lái)的收益高”。非常典型的例子，就是“人民幣造假”。人民幣的造假現(xiàn)象現(xiàn)在相對(duì)比較少，是因?yàn)椋?/p>

要想造出真的人民幣，比如說(shuō)仿制100元人民幣，單張的制造成本要高于100元

央行不斷推進(jìn)新版人民幣，采用新技術(shù)，始終將仿制成本高于安全線

造假的人民幣，一旦被抓獲，要處三年以上有期徒刑甚至無(wú)期徒刑

從上面這個(gè)例子，也可以看出，這個(gè)攻防游戲是“無(wú)止盡”的。因?yàn)殡S著技術(shù)的進(jìn)步，攻擊者達(dá)到同樣的攻擊水平，需要付出的成本會(huì)越來(lái)越低，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)則需要不斷升級(jí)自己的技術(shù)，重新提高攻擊者的攻擊成本。 OK，講了這么多概念，接下來(lái)講一講干貨，現(xiàn)代電子商務(wù)的基石——公鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKI。

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PKI與非對(duì)稱加解密

公鑰基礎(chǔ)設(shè)施這個(gè)名詞講起來(lái)比較拗口，要想把它徹底搞清楚，大家可以買一本書(shū)去看，從底向上，我將其分為5個(gè)層級(jí)。為避免過(guò)程過(guò)于枯燥，先從最常見(jiàn)的“數(shù)字證書(shū)”講起。

圖3

2.1 層級(jí)四：數(shù)字證書(shū)

現(xiàn)代電子商務(wù)或網(wǎng)絡(luò)通信的一大問(wèn)題在于，如何在不可信的環(huán)境中做到身份認(rèn)證，即"如何證明我是我?”在中國(guó)，用“身份證”，在數(shù)字領(lǐng)域，用“數(shù)字證書(shū)”。 咱們可以隨便打開(kāi)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，如果是Chrome的話，可以點(diǎn)擊網(wǎng)址左邊的“鎖”，打開(kāi)其“證書(shū)”，便可以看到如下信息。

圖4

數(shù)字證書(shū)的信息大概包含這么三類： 1、使用者信息

使用者：最重要的域，目前一般為域名，用戶個(gè)人使用則為姓名。

公鑰：非對(duì)稱加密中用戶公開(kāi)的那個(gè)密鑰，誰(shuí)都能看到

有效期

2、頒發(fā)者信息

頒發(fā)者：誰(shuí)頒發(fā)的這個(gè)證書(shū)？

頒發(fā)者的簽名：頒發(fā)者對(duì)該證書(shū)的所有信息的數(shù)字簽名，表明他對(duì)這個(gè)證書(shū)的真實(shí)性負(fù)責(zé)。

3. 其他：如證書(shū)的版本號(hào)、序列號(hào)等，在此略過(guò)不表 我們?cè)诖蜷_(kāi)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，如果是HTTPS網(wǎng)址的，瀏覽器會(huì)自動(dòng)檢查網(wǎng)站證書(shū)的有效性，如網(wǎng)站的域名與“使用者”是否匹配？證書(shū)是否有效？證書(shū)的頒發(fā)者是否有效？等等。若網(wǎng)站證書(shū)有問(wèn)題，瀏覽器則會(huì)顯示相應(yīng)的警告。若此證書(shū)有效，則瀏覽器會(huì)開(kāi)始使用證書(shū)內(nèi)的信息（主要是公鑰），用于與其進(jìn)行通信。

2.2 層級(jí)二及三：非對(duì)稱加解密及數(shù)字簽名

數(shù)字證書(shū)的關(guān)鍵在于公鑰，以及頒發(fā)者的簽名。為什么公鑰可以公開(kāi)？為什么數(shù)字簽名就可以代表頒發(fā)者？接下來(lái)講這兩個(gè)問(wèn)題。 非對(duì)稱加解密就是指一種特殊的加解密算法，這種算法的加密密鑰（公鑰）和解密密鑰（私鑰）是不一樣的，且由公鑰是極難推斷出私鑰的，即使有大量的明文和密文對(duì)也一樣。常見(jiàn)的有RSA算法，及橢圓曲線（ECC）算法。

圖5：非對(duì)稱加解密之公私鑰 因?yàn)橛幸粚?duì)不一樣的密鑰，所以其中一把密鑰可以作為公鑰公開(kāi)出來(lái)。私鑰需要自行妥善保存，比如說(shuō)存在加密機(jī)中。 這樣的話，如果A要給B發(fā)送加密消息，那么就B的公鑰加密一下，發(fā)送出來(lái)，只有A才能用自己的私鑰解密。 那么公鑰可以用于發(fā)送方加密，私鑰可不可以用于發(fā)送方加密呢？也可以，只是不叫“加密”，叫簽名，因?yàn)橐话l(fā)出去，大家都可以解密。下面是個(gè)例子：

圖6

上圖中，B使用公鑰驗(yàn)簽后，發(fā)現(xiàn)生成的摘要與原摘要一致，就算驗(yàn)簽成功。因?yàn)槟苁褂肁的公鑰解密的信息，只可能是用A的私鑰加密的。由于只有A才會(huì)擁有A的私鑰，所以可以確定“這段明文”確實(shí)是由A發(fā)送的。

2.3 層級(jí)五：PKI體系

前文中反復(fù)提到了“使用A的公鑰驗(yàn)簽”、“使用A的公鑰簽名”，那么如何獲取A的公鑰呢？獲取到了之后，如何相信A的公鑰真的是A的公鑰呢？這就需要使用到PKI體系了。下面是百度中的定義： 公鑰基礎(chǔ)設(shè)施是一個(gè)包括硬件、軟件、人員、策略和規(guī)程的集合，用來(lái)實(shí)現(xiàn)基于公鑰密碼體制的密鑰和證書(shū)的產(chǎn)生、管理、存儲(chǔ)、分發(fā)和撤銷等功能。 其核心是證書(shū)的產(chǎn)生和分發(fā)層級(jí)：

圖7

關(guān)鍵的流程就兩個(gè)： 1、證書(shū)的簽發(fā)流程：即怎么樣才能拿我自己的證書(shū)呢？簡(jiǎn)單的說(shuō)，填個(gè)表，找個(gè)子CA，付一筆年費(fèi)，就可以拿到了，上面寫(xiě)著大伽A證明大牛B證明凡人C是凡人C。復(fù)雜的說(shuō)：

全世界有大概幾十家左右的根CA（Certificate Authority)，計(jì)算機(jī)上都會(huì)預(yù)置這些CA的數(shù)字證書(shū)。比如Amazon、Verisign這種，他們有一整套的機(jī)制保證自己是可信的?；诖耍麄冇凶约旱臄?shù)字證書(shū)，及與之匹配的私鑰。

若想建立自己的子CA，則可向這些家申請(qǐng)，要每年付出不菲的年費(fèi)。那么這些根CA會(huì)給你的子CA生成一個(gè)私鑰以及配對(duì)的數(shù)字證書(shū)（公鑰）。

若普通用戶要獲取自己的數(shù)字證書(shū)，則向子CA申請(qǐng)即可，流程與上一步一樣。

2、證書(shū)的信任流程：即我為什么相信你是你呢？簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是因?yàn)槟闶稚夏昧藗€(gè)證明信，上面有某某單位的公章，我因?yàn)橄嘈胚@個(gè)單位，又相信這個(gè)公章不是偽造的，所以相信你是你。復(fù)雜的說(shuō)（拿bing.com為例）：

圖8

先查驗(yàn)DigiCert Baltimore Root的證書(shū)，是否與我本地預(yù)置的證書(shū)一致。

再檢查Microsoft IT TLS CA 2的證書(shū)上的數(shù)字簽名，是不是真的是由DigiCert Baltimore Root生成的。

再檢測(cè)bing.com的證書(shū)上的數(shù)字簽名，是不是真的由Microsoft IT TLS CA 2生成的。

由以上兩個(gè)流程就可產(chǎn)生分層級(jí)的信任關(guān)系，而在不可信的網(wǎng)絡(luò)中建立了信任關(guān)系（信任錨）之后，其他的應(yīng)用業(yè)務(wù)就好開(kāi)展了。3、PKI體系還有另外一些問(wèn)題：

證書(shū)的吊銷——給某人發(fā)了證書(shū)后，這人用此證書(shū)從事非法經(jīng)營(yíng)怎么辦？把他的證書(shū)吊銷，具體的方法有OCSP及CRL。

證書(shū)的更新——給某人發(fā)了證書(shū)后，這證書(shū)過(guò)期了咋辦？如何更新呢？所以證書(shū)的有效期的選擇也需要謹(jǐn)慎考慮，太短的話頻繁失效，更新起來(lái)麻煩。太長(zhǎng)的話，它又有可能出現(xiàn)私鑰的保存問(wèn)題。

私鑰的存儲(chǔ)——私鑰是信任的核心，如果私鑰被他人竊取或復(fù)制，那么整個(gè)信任體系就失效了，特別是ROOT CA的。所以，私鑰最好不要離開(kāi)生成的機(jī)器，且在物理上與外界隔絕，如使用加密機(jī)：私鑰始終不可見(jiàn)，只可重新生成，不可拷貝等。

2.4 層級(jí)一：NPC問(wèn)題（附加題） 前文有提到過(guò)，在知道“公鑰”及很多“明文密文對(duì)”時(shí)，也很難推斷出“私鑰”，這是為什么呢？此節(jié)簡(jiǎn)要講一下這個(gè)問(wèn)題，這屬于密碼學(xué)的范疇。 RSA的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是大數(shù)的分解問(wèn)題，屬于NPC（非確定性多項(xiàng)式完全問(wèn)題）問(wèn)題；橢圓曲線的本質(zhì)是離散對(duì)數(shù)問(wèn)題，也屬于NPC問(wèn)題。 NPC問(wèn)題是指這樣的一類問(wèn)題：無(wú)法在多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)計(jì)算出問(wèn)題的答案，但一旦知道答案便可在多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)驗(yàn)證答案是否正確。用計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言表達(dá)是指其時(shí)間復(fù)雜度>O(n^a)，可能為指數(shù)級(jí)O(2^n)，甚至O(n!)。當(dāng)需要求解的n較大時(shí)，這類問(wèn)題的求解就遠(yuǎn)超出當(dāng)前計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。 以RSA為例，當(dāng)前使用較多的密鑰長(zhǎng)度為2048位，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要數(shù)十年才能破解。即使隨著科技發(fā)展2048位被破解了，那就用4096位吧，破解所需要算力上升2^2048倍。而加密、解密所需的代價(jià)只上升幾十倍（具體沒(méi)算過(guò)，但NPC問(wèn)題的驗(yàn)證為多項(xiàng)式復(fù)雜度，可控）。 所以，只要NPC問(wèn)題未被解決，即證明其可轉(zhuǎn)化為P問(wèn)題，PKI體系仍是堅(jiān)如磐石。因?yàn)榧词沽孔佑?jì)算機(jī)可輕松破解2048位的RSA密鑰，那大不了就增加一點(diǎn)難度吧，用4096位的。

2.5PKI在汽車行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景

PKI體系在汽車行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，如遠(yuǎn)程車控、近場(chǎng)車控、安全啟動(dòng)、Ethernet通信安全等等。在此處講一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的“遠(yuǎn)程車控”的實(shí)例。 1. 企業(yè)應(yīng)該先行建立自己的PKI體系，即引入一個(gè)PKI供應(yīng)商，將證書(shū)的頒發(fā)、申請(qǐng)、吊銷等公用模塊建立起來(lái)。接下來(lái)，在其之上，建立各應(yīng)用的流程。

圖9

2. 手機(jī)端、云端與車端Tbox，都在本地生成自己的私鑰，并在云端申請(qǐng)完自己的證書(shū)。這也需要制定相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程。 三端都需要妥善保管好自己的私鑰，手機(jī)端可以將私鑰存儲(chǔ)在TEE中，云端可存儲(chǔ)的選擇會(huì)較多，車端可存儲(chǔ)在HSM或TEE中。若沒(méi)有這些硬件的存儲(chǔ)方式，可以使用軟件的白盒加密方法，安全性也有一定保障。白盒加密也就是說(shuō)即使遭遇白盒攻擊，其密鑰也較難被破解。 3. 大家都具備證書(shū)與私鑰后，業(yè)務(wù)流程就變地相當(dāng)簡(jiǎn)單：

圖10

云端與車端由于交互較多，建議兩端通過(guò)雙向認(rèn)證交換“會(huì)話密鑰”（對(duì)稱密鑰）。因?yàn)閷?duì)稱加密要比非對(duì)稱加密快上千倍，根據(jù)密鑰長(zhǎng)度不同會(huì)稍有變化。交換會(huì)話密鑰的流程可參考TLS的雙向認(rèn)證的握手流程。

手機(jī)端將車端指令發(fā)給云端，并使用自己的私鑰進(jìn)行簽名。云端收到之后，使用手機(jī)A的數(shù)字證書(shū)，進(jìn)行驗(yàn)簽。

云端將車控指令用協(xié)商好的“會(huì)話密鑰”加密后，發(fā)送給車端。車端驗(yàn)證后，即可在內(nèi)部執(zhí)行。

在采用PKI體系之前，業(yè)內(nèi)的“遠(yuǎn)程車控”也有解決方案，只是這些方案的根基都在于“方案設(shè)計(jì)”的保密性，無(wú)法防范內(nèi)部員工或離職員工的攻擊。而基于PKI體系的方案，不依賴于任何個(gè)人，沒(méi)有脆弱性。

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