MUNIK 解读 ISO21434 专题分享（4）：网络安全元器件开发

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随着汽车电子化、网联化和智能化的发展，车辆逐渐成为复杂的网络系统。汽车中的电子控制单元（ECU）、微控制器（MCU）、传感器、执行器以及通信模块等元器件都面临网络安全威胁。因此，在汽车电子产品的设计和开发阶段，确保关键元器件具备足够的网络安全防护功能已成为不可或缺的一环。本文将系统性地阐述网络安全元器件开发的关键技术及其应用实例。

1.安全启动（Secure Boot）

安全启动旨在确保设备仅运行经过验证的可信固件，避免恶意代码的加载。

1.1 关键目标

• 验证启动过程的安全性：通过数字签名认证，确保系统启动时仅加载可信代码。
• 防止固件篡改：保护固件完整性，防止攻击者通过篡改代码控制系统。
• 增强系统完整性：确保启动过程免受未授权修改。
• 支持密钥管理：通过硬件安全模块（HSM）保护签名验证密钥。

1.2 实施实例：汽车ECU安全启动

汽车的 ECU 包括多个固件模块（如发动机控制模块、车载娱乐系统等），它们需要通过安全启动防止加载恶意软件。

固件签名：每个固件模块在发布前使用公私钥对进行数字签名，开发者用私钥签名，系统用公钥验证。

• 安全启动过程：引导加载程序（Bootloader）验证固件签名。如果签名验证失败，系统会停止启动。
• 密钥管理：私钥存储在HSM中，保护其安全。
• 固件更新与回滚机制：通过支持回滚的设计，确保更新失败时系统可恢复到安全版本。

2.加密模块

加密模块通过硬件加速的加密算法（如AES、RSA等）保障数据传输和存储的安全。

2.1关键目标

• 数据机密性：保护用户信息、车辆位置等敏感数据，防止未授权访问。
• 数据完整性：确保数据在传输和存储过程中不被篡改。
• 身份验证与访问控制：限制关键数据访问，仅授权设备或人员可操作。
• 数字签名：验证数据来源与完整性，防止伪造。

2.2实施实例

2.2.1车载通信中的加密模块

现代汽车通过CAN总线或以太网传输关键数据，这些通信通道需要加密保护。

• 加密通信：使用对称加密（AES）和非对称加密（RSA）保障数据机密性。
• 身份验证：通过公钥基础设施（PKI）管理通信双方的加密密钥。
• 数字签名与数据完整性：使用ECC生成签名，验证数据未被篡改。

2.2.2汽车远程服务的加密模块

远程诊断、OTA更新等需要安全通信保护。

• OTA 更新：通过TLS和SSL加密通信，防止固件下载过程中数据被篡改。
• 远程诊断：基于证书的加密认证，确保诊断信息仅供授权人员访问。
• 密钥交换与管理：通过 Diffie-Hellman算法确保密钥共享安全。

2.2.3车载存储中的数据加密

• 加密存储：对硬盘、闪存等存储的敏感数据进行加密保护。
• 密钥管理：结合硬件加密模块和密钥管理服务，确保密钥的安全性。
• 日志加密：对包含敏感信息的日志文件进行加密并限制访问。

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3.硬件安全模块（HSM）

HSM为密钥存储、数字签名生成和验证提供了硬件级别的安全保障。

3.1关键目标

• 密钥管理：HSM生成、存储和管理密钥，确保其全生命周期安全。
• 防篡改保护：通过物理防护措施，防止攻击者获取密钥或篡改设备。
• 数据加密与解密：硬件加速提高加密解密效率。
• 数字签名与身份验证：保证通信数据完整性和来源可信度。

3.2 实施实例

3.2.1 加密与解密

• HSM执行加密操作，保护车载通信数据，如通过AES加密车辆与远程服务器之间的通信。

3.2.2 密钥管理

• HSM提供安全的密钥存储和更新功能，并通过抗侧信道攻击确保密钥保护。

3.2.3 OTA 固件更新

• 通过HSM加密固件包，验证固件签名，确保其完整性。

4.物理不可克隆函数（PUF）

PUF技术利用硬件的物理特性生成唯一密钥，为硬件提供防克隆能力。

4.1关键目标

• 生成唯一标识符：基于硬件特性生成设备唯一ID。
• 防止克隆与伪造：通过难以复制的物理特性防止设备被克隆。
• 安全密钥管理：通过PUF生成随机密钥，确保安全。
• 物理抗篡改性：硬件特性难以通过攻击手段复制或破解。

4.2实施实例

4.2.1 ECU身份验证

利用PUF生成唯一标识符进行设备认证和密钥管理。

• 生成唯一标识符：通过测量芯片微小变化生成数字指纹。
• 身份验证：远程服务器比对PUF生成的标识符以验证身份。

4.2.2 V2X 通信中的 PUF 应用

PUF增强车与车、车与基础设施之间的通信安全。

• 通信认证：通过PUF生成的密钥对通信数据加密，防止伪造。
• 加密与数据保护：保障V2X通信的机密性和完整性。
• 防止重放攻击：通过动态密钥生成和验证机制保护通信安全。