汽車(chē)軟件的安全啟動(dòng)

首語(yǔ)

隨著軟件定義汽車(chē)（Software Defined Vehicles, SDV）的概念的提出，汽車(chē)軟件發(fā)展迅速，其功能越來(lái)越多，也變得越來(lái)越智能，汽車(chē)在為人們更好服務(wù)的同時(shí)，許多安全問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。汽車(chē)安全主要分為功能安全和信息安全，功能安全主要是要求降低汽車(chē)硬件的隨機(jī)失效概率，信息安全則主要保證汽車(chē)軟件安全運(yùn)行、正常升級(jí)。怎樣保證軟件能夠安全運(yùn)行，讓汽車(chē)ECU只運(yùn)行完整的、可信的軟件？這種要求可以讓汽車(chē)的安全啟動(dòng)（Secure Boot）來(lái)做到。

一、安全啟動(dòng)了什么

當(dāng)駕駛者準(zhǔn)備啟動(dòng)汽車(chē)時(shí)，汽車(chē)中各種各樣的軟件便會(huì)被加載，完成各種各樣的服務(wù)。這些軟件是汽車(chē)廠商設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的，汽車(chē)廠商保證了他們的軟件可行性和安全性，并把這些軟件在汽車(chē)賣(mài)給消費(fèi)者之前就安裝在汽車(chē)中，并在后期對(duì)軟件維護(hù)和優(yōu)化升級(jí)，通過(guò)在線升級(jí)（On The Air, OTA）技術(shù)對(duì)汽車(chē)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)。消費(fèi)者能持續(xù)獲得可靠的優(yōu)質(zhì)軟件服務(wù)。

這些看起來(lái)都沒(méi)什么問(wèn)題，但如果在消費(fèi)者使用過(guò)程，這些配套軟件被惡意替換，那么不但軟件可能無(wú)法提供相應(yīng)的服務(wù)和安全性，還極有可能對(duì)人和汽車(chē)本身造成嚴(yán)重傷害。所以汽車(chē)廠商在設(shè)計(jì)之初，就考慮到這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了安全啟動(dòng)來(lái)應(yīng)對(duì)，安全啟動(dòng)是一段在啟動(dòng)引導(dǎo)程序（Bootloader）中的程序，在實(shí)現(xiàn)汽車(chē)各項(xiàng)功能的軟件（App）啟動(dòng)之前，Bootloader會(huì)首先啟動(dòng)，對(duì)App進(jìn)行校驗(yàn)，主要檢查App的兩項(xiàng)指標(biāo)：完整性（Integrity）、可信度（Authentication），如果檢查不通過(guò)，則不會(huì)啟動(dòng)App。完整性指軟件二進(jìn)制可執(zhí)行文件是否保持原樣，有沒(méi)有被篡改；可信度指軟件的來(lái)源是否可靠，在汽車(chē)軟件中，指是否是汽車(chē)廠商提供的。這兩項(xiàng)指標(biāo)確保了汽車(chē)運(yùn)行的軟件是來(lái)自汽車(chē)廠商有安全保證的軟件，并且沒(méi)有被篡改，從而保護(hù)了人和汽車(chē)的安全。

二、怎樣保證安全

怎么在汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)對(duì)App的完整性和可信度的檢查呢？這里就需要一些密碼學(xué)（Cryptography）技術(shù)。

先來(lái)了解一些名詞：

哈希函數(shù)（Hash Function）：可將任意長(zhǎng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為指定長(zhǎng)度摘要（e.g. SHA2安全哈希函數(shù)，MD5）

對(duì)稱(chēng)加密（Symmetric Encryption）：用同一把密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密（e.g. DES，AES高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）

非對(duì)稱(chēng)加密（Asymmetric Encryption）：使用公鑰和私鑰對(duì)數(shù)據(jù)加解密（e.g. RSA，ECC）

完整性驗(yàn)證

App可執(zhí)行文件是一個(gè)二進(jìn)制文件，可以把App的可執(zhí)行文件作為哈希函數(shù)的輸入，會(huì)得到一個(gè)固定長(zhǎng)度的哈希值（Hash Value），這里就不得不提到哈希函數(shù)的一個(gè)特點(diǎn)，哈希函數(shù)的輸入值改變會(huì)影響輸出值，而且是極大的改變，哪怕是輸入值的一位（Bit）數(shù)據(jù)被改變。設(shè)想，使用哈希函數(shù)把汽車(chē)廠商的正版軟件作為輸入得到一個(gè)哈希值，并把其保存起來(lái)，黑客得到了汽車(chē)廠商的App并對(duì)其修改，然后想讓汽車(chē)運(yùn)行他修改過(guò)的軟件，Bootloader在啟動(dòng)安全啟動(dòng)時(shí)，對(duì)修改后的App的再做一次哈希，發(fā)現(xiàn)與先前的值截然不同，也就不會(huì)啟動(dòng)帶有風(fēng)險(xiǎn)的App。這就保證了軟件的整體性。

但這還不夠，哈希函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式是公開(kāi)的，汽車(chē)廠商可以正常的App生成一個(gè)哈希值H1存放起來(lái)，那么黑客也可以生產(chǎn)一份經(jīng)過(guò)修改的App的哈希值H2替換之前的H1， 并把修改后的App刷入汽車(chē)中，這樣Bootloader啟動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)保存的哈希值H2和即將要運(yùn)行的App（經(jīng)過(guò)修改的）一致，則會(huì)正常運(yùn)行。就可以騙過(guò)安全啟動(dòng)的驗(yàn)證，達(dá)到運(yùn)行修改后App的目的。解決這一問(wèn)題，這就要提到另一個(gè)技術(shù)——一次性可編程（One Time Programmable， OTP），這是單片機(jī)的一種存儲(chǔ)器類(lèi)型，其作用是程序燒入單片機(jī)后，將不可再次更改和清除，汽車(chē)廠商可以將自己App所生成的哈希值存儲(chǔ)到這樣的存儲(chǔ)器中，就可以保證經(jīng)過(guò)安全啟動(dòng)驗(yàn)證的App一定是汽車(chē)廠商所提供的，這塊區(qū)域也不可能被篡改。

可信度驗(yàn)證

但接下來(lái)還有一個(gè)問(wèn)題需要解決，前面我們提到過(guò)OTA技術(shù)，汽車(chē)廠商會(huì)在消費(fèi)者使用汽車(chē)過(guò)程中，持續(xù)對(duì)汽車(chē)軟件進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)，如果汽車(chē)廠商把最初那一版App的哈希值放到了OTP存儲(chǔ)器中，那么結(jié)果就是，汽車(chē)廠商對(duì)App升級(jí)后，由于這塊區(qū)域的內(nèi)容無(wú)法被更改（汽車(chē)廠商也無(wú)法修改），結(jié)果就是升級(jí)App后，由于安全啟動(dòng)校驗(yàn)不通過(guò)，導(dǎo)致軟件無(wú)法啟動(dòng)。所以我們得采取其他的解決方案。

這里可以使用數(shù)字簽名（Digital Signature）技術(shù)，可以采用非對(duì)稱(chēng)加密算法，利用私鑰（Private Key）對(duì)汽車(chē)廠商App的哈希值進(jìn)行加密生成一個(gè)簽名保存起來(lái)，簽名只能用公鑰（Public Key）才能解密，簽名解密后是一串哈希值，我們就可以用這個(gè)哈希值和即將要啟動(dòng)的App的哈希值進(jìn)行比較。這樣看起來(lái)就好了很多，在OTA升級(jí)時(shí)，利于數(shù)字簽名技術(shù)對(duì)將要升級(jí)的App進(jìn)行完整性和可信度驗(yàn)證，確保將要升級(jí)的App沒(méi)有被篡改并且確實(shí)來(lái)自于汽車(chē)廠商（汽車(chē)廠商利用私鑰加密，汽車(chē)軟件升級(jí)驗(yàn)證時(shí)用公鑰解密），然后將簽名寫(xiě)入FLASH某個(gè)區(qū)域（不需要OTP特性）。那么公鑰放在那里呢？前面提到的OTP又派上用場(chǎng)了，這塊區(qū)域就可用來(lái)存儲(chǔ)和汽車(chē)廠商成對(duì)的公鑰。

當(dāng)然也有采用基于分組密碼的消息認(rèn)證碼算法（Cipher-based Message Authentication Code，CMAC）的方案進(jìn)行安全啟動(dòng)的驗(yàn)證，其目的是相似的，只不過(guò)使用的方法不同。

如何實(shí)現(xiàn)加解密

有了解決方案，如何實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的算法呢？這里就要講一講車(chē)規(guī)級(jí)MCU的發(fā)展歷史了，在一開(kāi)始， MCU的芯片廠商并沒(méi)有集成硬件來(lái)完成加密算法（Cryptographic Algorithm），加解密過(guò)程基本都是軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其實(shí)軟件加解密這一塊離大家都很近，比如，熟悉Linux的同學(xué)知道，兩個(gè)客戶(hù)端要進(jìn)行SSH通信前，需要提前生成SSH鑰匙，這里的SSH鑰匙就是上面提到的非對(duì)稱(chēng)加密算法中的公鑰和私鑰。這樣實(shí)現(xiàn)加密算法的方法就是軟件實(shí)現(xiàn)，所以早期汽車(chē)實(shí)現(xiàn)這些加密算法也都是通過(guò)軟件層面實(shí)現(xiàn)的。這種方式有一定缺陷，比如加解密過(guò)程中，需要MCU中主核（一般是M4或M7）來(lái)完成整個(gè)算法，期間也不能做其他的事，主核在設(shè)計(jì)之初也沒(méi)有考慮對(duì)加解密算法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果就是實(shí)際效率會(huì)差很多。 目前，主流的方法是通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)加密算法，例如硬件安全模塊（HSM，Hardware Security Modules）和安全硬件拓展（SHE，Secure Hardware Extension）。

SHE顧名思義，是對(duì)MCU的擴(kuò)展，它主要提供類(lèi)似于OTP的存儲(chǔ)空間，并不能為主核提供硬件加速，結(jié)構(gòu)圖如下：

HSM就強(qiáng)大得多，擁有自己的CPU，并且有類(lèi)似OTP的安全存儲(chǔ)區(qū)域，其結(jié)構(gòu)如下：

目前，大多數(shù)高端車(chē)規(guī)級(jí)芯片都會(huì)集成SHE和HSM，國(guó)外芯片廠商有ST、NXP、infineon等，國(guó)內(nèi)芯片廠商有芯馳、地平線、黑芝麻等，比較常見(jiàn)內(nèi)嵌HSM模塊的芯片有意法半導(dǎo)體的SPC58、英飛凌的Trave系列、芯馳的G9X。

三、安全啟動(dòng)流程

上述的這些解決方法和工具已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)完整的安全啟動(dòng)過(guò)程，這里要介紹一個(gè)安全啟動(dòng)的概念——信任錨（Trust Anchor），大家可以把它理解為運(yùn)動(dòng)會(huì)中接力賽的接力棒，其實(shí)仔細(xì)想想就會(huì)發(fā)現(xiàn)，上面講的很多安全啟動(dòng)的內(nèi)容都是Bootloader來(lái)完成的，那么Bootloader的完整性和可信度又該怎么保證呢？其實(shí)就是靠這個(gè)信任錨，BootRom（是一段固化在芯片Rom中的程序）它先檢查Bootloader的完整性和可信度，確保沒(méi)有問(wèn)題后，將信任錨傳遞給Bootloader，然后Bootloader進(jìn)行密鑰的檢查、簽名驗(yàn)證等操作，確保App是正確的，然后才啟動(dòng)App完成各種服務(wù)。

四、發(fā)展與挑戰(zhàn)

汽車(chē)軟件發(fā)展迅速，它給人民生活帶來(lái)極大的便利，但機(jī)會(huì)和風(fēng)險(xiǎn)是并存的，汽車(chē)軟件的信息安全問(wèn)題也不容小覷，以UNECE/WP. 29 (R155、R156) 和 ISO/SAE 21434 為代表的汽車(chē)信息安全的國(guó)際法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布與實(shí)施，我國(guó)也早已將發(fā)展智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，國(guó)家各部委根據(jù)在車(chē)聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵部件和生命周期各環(huán)節(jié)的職責(zé)劃分，制定相關(guān)政策及執(zhí)行監(jiān)管，包括網(wǎng)信辦、工信部、交通運(yùn)輸部、公安部、國(guó)標(biāo)委等，共同推動(dòng)建立健全智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)信息安全管理機(jī)制。例如，市場(chǎng)監(jiān)管總局分別在2020年11月和2021年6月發(fā)布文件，規(guī)范了 OTA 技術(shù)在召回工作中的應(yīng)用，明確要求生產(chǎn)者采用 OTA 方式消除汽車(chē)產(chǎn)品缺陷、實(shí)施召回的，須向市場(chǎng)監(jiān)管總局備案。要求車(chē)企在使用 OTA 開(kāi)展技術(shù)服務(wù)活動(dòng)時(shí)，需向市場(chǎng)監(jiān)管總局質(zhì)量發(fā)展局備案；車(chē)企如果使用 OTA 消除車(chē)輛缺陷、實(shí)施召回的，也需要向市場(chǎng)監(jiān)管總局質(zhì)量發(fā)展局備案。

汽車(chē)信息安全技術(shù)也在不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠商都在努力做出安全可靠的汽車(chē)軟件。相關(guān)外企研發(fā)出HSM模塊，并嵌入加密算法、訪問(wèn)控制、完整性檢查等技術(shù)到汽車(chē)控制系統(tǒng)，但是目前HSM仍然不支持國(guó)密算法，存在技術(shù)壁壘，未能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主可控。國(guó)內(nèi)對(duì)于芯片集成安全硬件還不完備，此種情況下能有一款支持國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)產(chǎn)汽車(chē)硬件安全模塊對(duì)國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)十分重要。國(guó)密算法是我國(guó)自主研發(fā)創(chuàng)新的一套數(shù)據(jù)加密處理系列算法，隨著我國(guó)智能汽車(chē)信息安全的要求，需要將國(guó)密算法嵌入到硬件加密芯片中結(jié)合使用。

最好的情況就是，能在芯片層面保證安全啟動(dòng)的方案和App軟件都是自主可控，這樣就可以最大程度的保證人和汽車(chē)的安全。

審核編輯 ：李倩