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汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)涉及ABS防抱死制動、安全氣囊、剎車控制、轉(zhuǎn)向控制、引擎控制、巡航控制、啟停、自動泊車、集成導航(GPS與Gallileo)等等，隨著這一系統(tǒng)的被引入，汽車電子生態(tài)系統(tǒng)正在變得更加互連且更為復雜。但與此同時，汽車電子器件也取代了很多的瑣碎功能，如車燈控制、空調(diào)、電動車窗、引擎啟動、車門開啟、可調(diào)及加熱座椅等等。 一般來說，車內(nèi)的每個功能都由一個網(wǎng)絡(luò)微控制器(MCU)來管理，這些MCU使用相同的通信總線來交換數(shù)據(jù)與信息，包括面向動力傳動、底盤與車身電子功能的CAN、FlexRay或LIN總線，以及用于娛樂信息系統(tǒng)的MOST光纖網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)。 從純粹的機械環(huán)境發(fā)展到復雜的電子環(huán)境，盡管從舒適性以及駕駛員和乘客的主動與被動安防方面來看，確實增加了許多附加價值，但同時，由于這些引擎控制單元(ECU)彼此互連，也引發(fā)了隱私與數(shù)據(jù)可靠性方面的重大安全問題。例如，幾十年前，CAN總線的設(shè)計初衷并沒有要求其具有高度的安全性，實際上，車內(nèi)通信總線內(nèi)部的任何CAN信息都會發(fā)送給系統(tǒng)的其它組成部分，而且不支持任何授權(quán)、鑒別和加密協(xié)議�，F(xiàn)代汽車使用CAN總線交換數(shù)據(jù)，用來開啟車門和啟動引擎，這些信息在車內(nèi)的ECU與電子鑰匙內(nèi)部的ECU之間交換。如果該系統(tǒng)遭到損害，竊賊就能輕易地偷走汽車，而且“黑客”也可以訪問車內(nèi)GPS來查看汽車常去的地方，從中探知司機在哪里，什么時候汽車無人看管。 此外，用于實現(xiàn)電郵、SMS、視頻流、視頻電話等互聯(lián)網(wǎng)移動功能的藍牙、GPRS或UMTS，也擴大了“黑客”的攻擊面，他們可以通過遠程訪問，侵入任何通信和駕駛系統(tǒng)，或者插入惡意軟件來竊取各種數(shù)據(jù)，如汽車的實時位置、經(jīng)常使用的路線和完整的對話等。 車載硬件安全架構(gòu) 顧名思義，“開放系統(tǒng)”是暴露的，它面臨通過多種方式實施各類攻擊的可能性正在持續(xù)增加。汽車車身內(nèi)部與外部通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，正在迅速挑戰(zhàn)汽車電子本身的安全防護能力。 迄今為止，由于最普遍使用的傳輸總線CAN的內(nèi)部弱點，人們一直從軟件應(yīng)用的角度來研究“攻擊面”。但現(xiàn)在，行業(yè)內(nèi)開始把注意力轉(zhuǎn)向硬件架構(gòu)，以及應(yīng)該如何“密封”ECU使其難以滲透并避免受到非法操縱，例如未經(jīng)授權(quán)的安裝、惡意軟件上載、“木馬”軟件以及虛假升級等，或者至少能夠限制非法訪問并留下確鑿的篡改證據(jù)。 正因為如此，通過硅器件廠商與一家知名汽車OEM廠商的合作，開發(fā)出了面向汽車功能的新一代MCU。這類四核微控制器利用專門的安全內(nèi)核，即HSM(硬件安全模塊)，提供安全與防護功能，HSM內(nèi)部包含系統(tǒng)安全配置、安全啟動、外部訪問保護、閃存保護、加密功能和壽命結(jié)束保護等。 圖1 嵌入ECU內(nèi)部的HSM硬件安全模塊 如圖2所示，HSM模塊嵌入在ECU內(nèi)部，絕對獨立于其它與內(nèi)存和外設(shè)訪問相關(guān)的內(nèi)核，數(shù)據(jù)和代碼都有專用的閃存扇區(qū)，而且嚴格限于預留訪問。 圖2 五種不同階段的安全功能配置 配置系統(tǒng)安全性 系統(tǒng)安全性配置是在硬件層面保護敏感數(shù)據(jù)的第一步，在加電之前的重置階段完全控制整個初始配置，防止非法侵入和擅自篡改。 利用設(shè)備配置格式(DCF)，硅器件廠商和軟件開發(fā)商都可以保留所有初始配置，從而可以在啟動階段檢查與擊穿試驗和用戶擊穿試驗內(nèi)部DCF相關(guān)的特殊內(nèi)存地址、ECC(糾錯碼)錯誤以及奇偶校驗誤差。 在重置階段，利用各種漸進步驟，可以檢查一些安全防護功能。利用這種方式，通過幾個參數(shù)進行交叉檢查控制，就可以阻止以多種手段修改特殊內(nèi)存地址的企圖，或者強行改變啟動以加載新的惡意固件的企圖。 硬件架構(gòu)規(guī)則基于預先定義的設(shè)備功能狀態(tài)。安全設(shè)計人員提供出幾種安全級別，以便軟件開發(fā)者在最終實現(xiàn)其應(yīng)用時擁有較高的自由度。實際上，一些層級較低的軟件應(yīng)用經(jīng)�？梢越唤o第三方開發(fā)，然后設(shè)計和實施遞增的、不可逆的保護，滿足不同開發(fā)者提出的要求。此外，多數(shù)安全機制在激活時要考慮設(shè)備的壽命周期(DLC)情況。硅器件廠商與軟件開發(fā)者可以建立五種可能的遞增與不可逆配置，以便實現(xiàn)針對侵入與操縱攻擊的反制措施。 對于每一個階段來說，安全等級都會得到提升，而且不能撤銷。從第二級開始，在客戶交付階段，這個非常有限的安全機制為軟件開發(fā)階段提供了最大的自由度，而在現(xiàn)場設(shè)備階段則開啟完整的各種安全防護功能。 通常，在JDP生產(chǎn)階段至客戶交付階段的過渡階段，設(shè)備從原始生產(chǎn)商手中轉(zhuǎn)移到第一個軟件開發(fā)者手中，后者把MCU整合到更加復雜的系統(tǒng)之中。從客戶交付階段到OEM生產(chǎn)階段，第三方為了保護自己的知識產(chǎn)權(quán)，一般會為設(shè)備開發(fā)最后的軟件應(yīng)用程序。最終，到達現(xiàn)場設(shè)備階段，需要在嵌入汽車的最終應(yīng)用里面采取一系列控制與不可撤銷的保護措施，來滿足OEM廠商以及系統(tǒng)開發(fā)者和汽車制造商的要求。“故障分析”是最后的設(shè)備生產(chǎn)階段，用于測試的是被退回到工廠的設(shè)備系統(tǒng)，因此在這一過程中，一些相關(guān)安全保護功能將被停用，避免MCU因壽命周期保護而被認定為失效。 啟動安全機制 在啟動階段，MCU四個內(nèi)核中只有兩個通過重置被喚醒。這兩個是IOP(輸入輸出處理器)和HSM內(nèi)核。通過一個DCF記錄，IOP與HSM CPU之間的一個信號交換過程被激活。IOP執(zhí)行BAF啟動輔助閃存，而HSM CPU執(zhí)行客戶定義的代碼。IOP內(nèi)核執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)置，如果敏感數(shù)據(jù)遭到修改或者發(fā)現(xiàn)有侵入企圖，HSM內(nèi)核就會進行各種檢驗，例如閃存完整性檢驗。 安全啟動能夠一直保持并處于受控狀態(tài)，同時進入特殊的預定邊界和微啟動階段，與此同時，能夠檢測篡改攻擊或ROM中的固件操縱。在這種情況下，它可以禁用所有的加密功能，使所有密鑰不可用。 POR(加電重置)過程中的IOP內(nèi)核，如果處于設(shè)備的客戶交付階段，則對其編程以便執(zhí)行BAF輔助閃存。這個BAF是寫入某些內(nèi)存地址中的嵌入代碼，利用兩種機制加以保護：OTP(一次性可編程)和OPP(程序外保護)。通過這種方式，啟動永遠在受控狀態(tài)下執(zhí)行，也可以利用一個串行引導裝入過程，或者在直接跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用代碼起點的情況下，把訪問權(quán)授予RAM。各種軟件開發(fā)者都參與到最后的應(yīng)用發(fā)布中，僅在客戶交付和OEM生產(chǎn)階段啟用BAF，允許上載固件，而在現(xiàn)場設(shè)備階段則完全禁用。通過這種方式，應(yīng)用代碼在執(zhí)行過程中遭到限制，不可能利用硬件系統(tǒng)資源進行未經(jīng)授權(quán)的固件升級。在現(xiàn)場設(shè)備階段，只有OEM廠商開發(fā)的應(yīng)用才能執(zhí)行固件升級。 防范外部訪問 汽車選用電子器件是因為其可以通過多種通信總線實現(xiàn)先進的互連功能，因此對于安全設(shè)計者來說，保護和外部界面的訪問是最大的挑戰(zhàn)。為了能對器件訪問具有較強的選擇性，業(yè)內(nèi)開發(fā)出一種多層JTAG安全架構(gòu)。 JTAG安全架構(gòu)采用了所謂的“PASS”模塊，除了保護器件閃存訪問的基本任務(wù)以外，它利用一種口令機制來限制JTAG端口訪問。因此，JTAG端口得到了嚴格控制，采用一種挑戰(zhàn)/響應(yīng)協(xié)議，封鎖任何自由訪問。 與PASS模塊相配合的還有“審查模塊”，在設(shè)備遭到審查或JTAG口令無法識別的時候，啟用閃存讀出保護和調(diào)試界面訪問。換句話說，從OEM生產(chǎn)階段及后續(xù)階段，審查模塊可以讓設(shè)備被審查或不被審查，在授權(quán)調(diào)試器訪問的時候，修改閃存可以被JTAG界面讀取。 此外，設(shè)備訪問也依賴來自現(xiàn)場設(shè)備階段的“生產(chǎn)禁用”DCF設(shè)備配置格式，具有高于所有訪問控制的優(yōu)先級，可以禁用調(diào)試端口界面。在設(shè)置DCF之后，MCU的運行將不受任何限制，但調(diào)試端口界面將被禁用。軟件開發(fā)者可以決定重新啟用這個端口，但設(shè)備不再能夠使用。實際上，這種機制是在CAN和FlexRay總線波特率中添加了一個時鐘偏差，使得這些通信總線無法工作。 另一方面，還需增加兩個安全級別，以限制利用調(diào)試端口界面對MCU的內(nèi)存訪問。HSM使用兩個寄存器(HSMDUR和MDUR)來控制外部工具對主內(nèi)核與HSM內(nèi)核的訪問。這樣一來，在發(fā)生非法訪問的情況下，同一個TAP控制器就可以受到嚴格限制。換句話說，即使攻擊者能夠在調(diào)試端口進行未經(jīng)授權(quán)的訪問，但仍然無法訪問HSM及其代碼。 最弱環(huán)節(jié)：MCU閃存 對于任何外部攻擊來說，最薄弱的環(huán)節(jié)也許就是MCU閃存，這里存放著固件以及所有的安全配置，如口令和密鑰。 因此很自然，在MCU內(nèi)部采取了多種機制和模塊加以保護，與MPU(內(nèi)存保護單元)一道，另外兩個模塊完全用于保護設(shè)備閃存內(nèi)容：即PASS和TDM模塊。此外還有上面提到的HSM、審查模塊和密封模塊能夠有效地限制閃存訪問。 如圖3所示，PASS與TDM模塊組合可以禁用所有的閃存擦除與程序操作，而一個專用DCF(OTP_EN)可以啟用原始設(shè)備的編程。 圖3 MCU閃存封鎖保護系統(tǒng) 盡管MPU在不同訪問層級(讀/寫或用戶/審查模式等等)保護和管理內(nèi)存，但無法抵抗可以修改內(nèi)存內(nèi)容的侵入攻擊和外部操縱。進入PASS模塊，該模塊不僅可以利用256位口令機制控制任何閃存操作(閃存讀取、閃存編程、閃存擦除)，而且也能檢查外部調(diào)試訪問端口。這些口令是受到保護的，而且與OEM生產(chǎn)和后續(xù)階段相隔離。一旦那些256位口令寫入用戶閃存測試DCF，就不能再被訪問，只能通過PASS模塊輸入寄存器來修改受到保護的存儲區(qū)。 TDM篡改檢測模塊可提供一個非常有效的針對數(shù)據(jù)操縱企圖的反制措施，因為它創(chuàng)建出一種電子日志，當某些受保護的內(nèi)存區(qū)被擦除的時候，操作者不得不在日志上留下數(shù)字記錄。也就是受到TDM保護的所有內(nèi)存區(qū)塊只能通過對特殊的閃存區(qū)編程來擦除，從而確保不可撤銷的機制留下修改和固件升級企圖的證據(jù)。 設(shè)備中采取的其它閃存保護機制還有OTP和OPP，它們只在原始設(shè)備和密封階段才允許內(nèi)存擦除請求。這完全保護了內(nèi)存區(qū)，禁止在故障分析階段訪問某些內(nèi)存區(qū)。此外，就HSM模塊而言，還有其它兩種保護機制限制對這個安全內(nèi)核中專用閃存區(qū)的訪問：HSM執(zhí)行機制和替代接口機制。第一種機制只允許HSM訪問HSM閃存專用部分，而第二種機制允許通過專用界面訪問HSM閃存寄存器，只供HSM內(nèi)核使用。 HSM模塊的每個存儲區(qū)可以指定為“HSM專用”。這樣，該存儲區(qū)就可以利用替代接口機制來訪問。替代接口機制是一組閃存寄存器，復制主接口寄存器功能用于擦除與編程操作。這樣，一旦HSM存儲區(qū)通過DCF被映射到替代接口，對于主接口來說，任何訪問、編程或擦除該存儲區(qū)的企圖都不可能得逞。 加密功能 加密系統(tǒng)是用于保持汽車網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信總線數(shù)據(jù)傳輸完整性、可靠性與保密性的最有效方法之一。利用加密功能，可能是阻止利用通用CAN破 解機制發(fā)動攻擊的最佳手段。這意味著任何單個設(shè)備都應(yīng)該具有自己的加密模塊或者應(yīng)該把這些功能委托給一個獨特的綜合單元，該單元可以加密和解密汽車內(nèi)部傳感器與激勵器之間交換的任何信息。 HSM模塊可以提供多種加密功能，因為它采用一個密碼通道控制器來管理一個TRNG(真隨機碼生成器)和一個MPAES(微處理器先進加密標準)。 當設(shè)備進入故障分析階段時，就必須解除某些保護機制，以便對可能的問題進行分析。乍看起來，這種配置似乎會給打破安全保護創(chuàng)造條件，并允許修改嵌入固件，把設(shè)備設(shè)置到現(xiàn)場設(shè)備階段，以便與原始系統(tǒng)相連。但是，可以利用幾種反制性保護措施來應(yīng)對這種情況。這些措施包含在“壽命終止保護”機制之中，可以在CAN和FlexRay總線傳輸完全中斷的情況下恢復上述情形，如E-fuse保護機制，而且可以選擇無限地循環(huán)運行BAF啟動輔助閃存。 E-fuse機制可在特定閃存測試模式啟用時在設(shè)備內(nèi)部留下永久的證據(jù)。由于這種操作是不可逆轉(zhuǎn)的，因此通過這種方式，就很容易檢測設(shè)備的狀態(tài)，并永遠保持在故障分析模式下，使其不可能回到DCF現(xiàn)場狀態(tài)。 HSM硬件安全模塊代表對于安全需求、反侵入控制和數(shù)據(jù)加密的最全面答案。車內(nèi)信息娛樂設(shè)備數(shù)量不斷增加，如控制公路交通事件以及提供撞車及天氣預報信息的設(shè)備等，使得這些安全功能變得非常關(guān)鍵。 HSM模塊是嵌入在ASIC中的一個SoC系統(tǒng)芯片，它由一個100MHz內(nèi)核、帶有MPU的一個數(shù)據(jù)交叉開關(guān)以及一個中斷控制器構(gòu)成。該100MHz內(nèi)核具有專用本地RAM和預留的代碼與數(shù)據(jù)閃存。HSM模塊擁有一個HSM/HOST接口用來與MCU內(nèi)部的其它內(nèi)核交換數(shù)據(jù)和指令，交換以安全和自動的方式進行。此外還具有一個C3模塊(加密通道控制器)。HSM用于控制MCU功能，但也控制所有的加密功能，因為它包含一個內(nèi)部模塊C3，C3集成了一個真隨機數(shù)生成器和一個MPAES模塊。除了安全啟動和調(diào)試界面訪問控制之外，它最重要的功能是密鑰生成隨機數(shù)，并執(zhí)行所有的加密與解決功能。 如前所述，CAN總線當初設(shè)計并沒有追求太高的安全性，因為它不能保證傳輸保密性，而且是以廣播模式發(fā)送信息。它不能保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性與完整性，加密信息則可以滿足車內(nèi)傳輸總線的要求。采用非對稱與對稱密鑰算法，可實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的保密性、完整性和可靠性，而HASH功能如數(shù)字簽名或者MAC(信息驗證碼)可提供數(shù)字簽名來鑒別數(shù)據(jù)發(fā)送人，或者提供一個CMAC(密碼信息鑒別碼)來發(fā)出安全啟動。所有的加密與解決功能，以硬件方式實現(xiàn)，并給予CAN通信總線所需的帶寬，不至于讓主CPU過載。 這些將用于下一代汽車的半導體器件是新型MCU，如意法半導體的SPC57EM80、SPC574K72和SPC572L64。它們是嵌入在電子設(shè)備中的安防硬件措施，可以阻斷外部與內(nèi)部攻擊者的非法操縱和未經(jīng)授權(quán)的侵入，專注于實施這種多層架構(gòu)。這些硬件保護機制能夠提供強大的保護措施，防止他人非法訪問MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)，而加密功能可以成功地用于汽車的CAN傳輸總線。 |
