ISO 21434汽车网络安全标准深度解读系列（七）：产品开发阶段网络安全实施

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前言

产品开发阶段是将概念阶段确定的网络安全目标转化为具体技术实现的关键阶段。本文将深入解读ISO 21434标准第10条"产品开发"，详细阐述如何在产品开发过程中系统性地实施网络安全工程。

1. 产品开发阶段概述

1.1 产品开发的定位

产品开发在ISO 21434标准中的位置：

ISO 21434生命周期：

概念阶段（第9条）
    ↓ 网络安全目标和概念
产品开发（第10条）← 本文重点
    ↓ 网络安全规范和实现
网络安全验证（第11条）
    ↓
生产阶段（第12条）

1.2 V模型开发方法

产品开发采用V模型方法，体现了设计与验证的对应关系：

V模型结构：

设计阶段（左臂）          验证阶段（右臂）
    ↓                        ↑
网络安全概念 ←→ 网络安全验证
    ↓                        ↑
系统设计 ←→ 系统集成测试
    ↓                        ↑
组件设计 ←→ 组件集成测试
    ↓                        ↑
单元设计 ←→ 单元测试
    ↓                        ↑
    实现阶段

1.3 核心目标

产品开发阶段的四大目标：

规范定义：定义网络安全规范
设计验证：验证网络安全规范符合更高层次要求
弱点识别：确定设计中的弱点
实现证明：提供组件符合网络安全规范的证据

2. 网络安全规范设计

2.1 规范设计概述

2.1.1 设计基础

网络安全规范的定义应基于：

上级规范：来自更高层次架构抽象的网络安全规范
控制措施：选择实施的网络安全控制措施
架构设计：现有的建筑设计

2.1.2 规范内容

网络安全规范包括：

网络安全要求：具体的安全功能要求
架构设计：满足要求的架构设计
接口规范：组件间的接口定义
配置参数：安全相关的配置参数

2.2 网络安全控制措施选择

2.2.1 控制措施要求（RC-10-01）

网络安全控制应根据上级分配的网络安全要求和上级的建筑设计进行选择。

2.2.2 控制措施分类

网络安全控制措施分类：

预防性控制：
├── 访问控制：身份认证、授权管理
├── 加密保护：数据加密、通信加密
├── 输入验证：参数检查、格式验证
└── 隔离保护：网络隔离、进程隔离

检测性控制：
├── 入侵检测：异常行为检测
├── 完整性检查：数据完整性验证
├── 日志审计：操作记录和分析
└── 监控告警：实时状态监控

响应性控制：
├── 故障安全：安全模式切换
├── 恢复机制：系统恢复功能
├── 应急响应：事件处理流程
└── 取证支持：证据收集保存

2.2.3 控制措施选择示例

控制措施选择示例：

安全目标：保护车辆控制功能免受远程攻击
选择的控制措施：

1. 网络隔离
   - 物理隔离：控制网络与信息娱乐网络分离
   - 逻辑隔离：使用防火墙和网关控制

2. 身份认证
   - 设备认证：ECU身份验证
   - 消息认证：CAN消息认证码

3. 通信加密
   - 对称加密：高速数据传输
   - 非对称加密：密钥交换

4. 入侵检测
   - 异常流量检测
   - 恶意行为识别

2.3 网络安全要求细化

2.3.1 要求细化（RQ-10-01）

网络安全要求应根据以下内容加以完善：

上级下达的网络安全要求
高层建筑设计
选择的网络安全控制

2.3.2 要求细化方法

要求细化方法：

1. 分解细化
   高层要求 → 子系统要求 → 组件要求 → 功能要求

2. 场景细化
   通用要求 → 特定场景要求 → 异常情况要求

3. 技术细化
   功能要求 → 性能要求 → 接口要求 → 实现要求

4. 验证细化
   要求定义 → 验证方法 → 测试用例 → 通过标准

2.3.3 要求细化示例

要求细化示例：

高层要求：车辆控制功能应能抵御远程网络攻击

细化要求：
├── CSR-10-001：远程通信模块应实施强身份认证
│   ├── 支持X.509数字证书认证
│   ├── 证书有效期不超过3年
│   └── 支持证书撤销列表检查
├── CSR-10-002：控制网络应与外部网络隔离
│   ├── 物理隔离或安全网关隔离
│   ├── 默认拒绝所有跨网络通信
│   └── 仅允许经过授权的通信
└── CSR-10-003：关键控制消息应进行完整性保护
    ├── 使用HMAC-SHA256算法
    ├── 密钥长度不少于256位
    └── 消息时间戳防重放攻击

2.4 架构设计完善

2.4.1 设计完善（RQ-10-02）

建筑设计应根据以下发展水平进行改进：

初始建筑设计
网络安全控制
完善的网络安全要求
更高层次的建筑设计
操作环境

2.4.2 设计原则（RC-10-02）

完善的建筑设计应采用建筑设计原则，以避免或尽量减少引入弱点。

2.4.3 安全设计原则

网络安全架构设计原则：

1. 最小权限原则
   - 组件仅获得完成功能所需的最小权限
   - 默认拒绝，明确授权

2. 深度防御原则
   - 多层安全控制措施
   - 单点失效不导致整体失效

3. 故障安全原则
   - 系统故障时进入安全状态
   - 安全功能优先于性能功能

4. 简单性原则
   - 设计简洁明了
   - 减少攻击面

5. 开放设计原则
   - 安全不依赖于设计的保密性
   - 可公开审查的设计

6. 完全中介原则
   - 所有访问都经过安全检查
   - 不存在绕过安全机制的路径

2.5 接口规范定义

2.5.1 接口要求（RQ-10-04）

应识别和描述与实现精制网络安全要求相关的精制架构设计组件之间的接口，包括目的和用途以及参数。

2.5.2 接口安全考虑

接口安全设计考虑：

1. 输入验证
   - 数据类型检查
   - 数据范围验证
   - 格式合规性检查
   - 恶意输入过滤

2. 输出控制
   - 敏感信息过滤
   - 错误信息控制
   - 数据泄露防护

3. 通信安全
   - 传输加密
   - 消息认证
   - 重放攻击防护
   - 会话管理

4. 访问控制
   - 身份认证
   - 权限验证
   - 审计日志
   - 异常检测

2.5.3 接口规范示例

接口规范示例：

接口名称：车辆控制指令接口
接口类型：CAN总线通信接口
安全要求：CSR-10-003

接口参数：
├── 消息ID：0x123（固定）
├── 数据长度：8字节
├── 数据格式：
│   ├── 字节0-1：控制类型（0x01=制动，0x02=转向）
│   ├── 字节2-3：控制值（-32768~32767）
│   ├── 字节4-7：HMAC认证码
└── 时间约束：响应时间<10ms

安全机制：
├── 输入验证：控制类型和数值范围检查
├── 完整性保护：HMAC-SHA256认证
├── 重放防护：序列号和时间戳检查
└── 异常处理：非法消息丢弃并记录

3. 开发后网络安全要求

3.1 开发后要求概述

3.1.1 要求目的（RQ-10-05、RQ-10-06）

在完善网络安全要求时，应考虑开发后阶段的网络安全影响，并指定确保网络安全的具体程序。

3.1.2 开发后阶段

开发后阶段包括：

生产阶段：制造和装配
运营阶段：正常使用和维护
维护阶段：故障诊断和修复
退役阶段：产品生命周期结束

3.2 开发后要求类型

3.2.1 生产阶段要求

生产阶段网络安全要求：

1. 安全配置
   - 密钥注入程序
   - 安全参数配置
   - 调试接口禁用
   - 生产测试安全

2. 供应链安全
   - 组件来源验证
   - 软件完整性检查
   - 恶意代码检测
   - 供应商审核

3. 生产环境安全
   - 生产线访问控制
   - 生产数据保护
   - 工具安全管理
   - 人员安全培训

3.2.2 运营阶段要求

运营阶段网络安全要求：

1. 更新管理
   - OTA更新安全
   - 更新验证机制
   - 回滚保护
   - 更新日志记录

2. 监控检测
   - 异常行为监控
   - 入侵检测告警
   - 安全事件记录
   - 取证数据收集

3. 应急响应
   - 事件响应流程
   - 安全模式切换
   - 通信隔离机制
   - 恢复程序

4. 维护安全
   - 诊断接口保护
   - 维修人员认证
   - 维修过程监控
   - 数据隐私保护

3.3 开发后要求示例

开发后网络安全要求示例：

要求ID：PSR-001
阶段：生产阶段
要求描述：密钥注入安全程序
具体要求：
├── 密钥应在安全环境中生成和注入
├── 密钥注入过程应有完整的审计记录
├── 注入完成后应验证密钥的正确性
├── 临时密钥和工具应在使用后安全清除
分配对象：生产线、质量控制部门

要求ID：PSR-002
阶段：运营阶段
要求描述：OTA更新安全验证
具体要求：
├── 更新包应使用数字签名验证完整性
├── 更新前应验证车辆身份和授权
├── 更新过程应支持断点续传和回滚
├── 更新完成后应进行功能验证测试
分配对象：车载系统、后台服务系统

4. 设计验证

4.1 验证概述

4.1.1 验证目的（RQ-10-07、RQ-10-08）

应验证完善的网络安全要求和建筑设计，确保符合上级要求和设计。

4.1.2 验证内容

设计验证应确保：

完整性：覆盖所有上级要求
正确性：正确理解和实现要求
一致性：内部逻辑一致
充分性：足以满足安全目标

4.2 验证方法

4.2.1 验证方法类型

设计验证方法：

1. 审查方法
   - 文档审查：检查设计文档的完整性和一致性
   - 同行评审：专家评审设计方案
   - 检查清单：使用标准化检查清单

2. 分析方法
   - 静态分析：代码静态分析工具
   - 形式化分析：数学模型验证
   - 架构分析：系统架构合理性分析

3. 建模方法
   - 威胁建模：识别潜在威胁
   - 攻击树分析：分析攻击路径
   - 故障树分析：分析失效模式

4. 原型方法
   - 概念原型：验证设计概念
   - 功能原型：验证关键功能
   - 安全原型：验证安全机制

4.2.2 验证方法选择

根据CAL（网络安全保证等级）选择验证方法：

CAL等级	推荐验证方法	验证深度
CAL 1	文档审查、检查清单	基础验证
CAL 2	同行评审、静态分析	标准验证
CAL 3	形式化分析、威胁建模	深度验证
CAL 4	数学证明、安全原型	严格验证

4.3 验证实施

4.3.1 验证流程

设计验证流程：

准备阶段：
├── 制定验证计划
├── 准备验证环境
├── 组建验证团队
└── 准备验证工具

执行阶段：
├── 文档审查验证
├── 设计分析验证
├── 建模仿真验证
└── 原型测试验证

评估阶段：
├── 验证结果分析
├── 问题识别归类
├── 改进建议制定
└── 验证报告编写

改进阶段：
├── 设计问题修正
├── 验证结果确认
├── 文档更新维护
└── 经验教训总结

4.3.2 验证记录

验证活动应产生以下记录：

验证计划：验证的范围、方法、标准
验证过程记录：验证活动的详细记录
验证结果：验证发现的问题和结论
验证报告：验证活动的总结报告

5. 弱点识别与管理

5.1 弱点识别

5.1.1 识别要求（RQ-10-09）

应根据7.5进行脆弱性分析，以确定与完善的架构设计和完善的网络安全需求相关的弱点。

5.1.2 弱点类型

设计阶段弱点类型：

1. 架构弱点
   - 单点故障设计
   - 权限设计不当
   - 接口暴露过多
   - 隔离机制不足

2. 算法弱点
   - 加密算法选择不当
   - 密钥管理缺陷
   - 随机数生成弱点
   - 哈希算法碰撞

3. 协议弱点
   - 认证机制缺陷
   - 会话管理问题
   - 重放攻击漏洞
   - 中间人攻击风险

4. 实现弱点
   - 输入验证不足
   - 缓冲区溢出风险
   - 竞态条件问题
   - 资源泄露风险

5.1.3 识别方法

弱点识别方法：

1. 设计审查
   - 架构设计审查
   - 安全设计审查
   - 接口设计审查
   - 数据流分析

2. 威胁建模
   - STRIDE分析
   - 攻击树分析
   - 数据流图分析
   - 信任边界分析

3. 静态分析
   - 代码静态扫描
   - 配置检查
   - 依赖分析
   - 合规性检查

4. 专家评审
   - 安全专家评审
   - 同行评审
   - 第三方评估
   - 渗透测试

5.2 弱点管理

5.2.1 管理要求（RQ-10-10）

识别出的漏洞应按照7.6进行管理。

5.2.2 管理流程

弱点管理流程：

发现阶段：
├── 弱点识别
├── 弱点记录
├── 初步分析
└── 优先级评估

分析阶段：
├── 影响分析
├── 利用可能性分析
├── 风险评估
└── 处理方案制定

处理阶段：
├── 设计修改
├── 控制措施增加
├── 缓解措施实施
└── 验证确认

跟踪阶段：
├── 状态跟踪
├── 效果评估
├── 持续监控
└── 经验总结

5.2.3 处理策略

弱点处理策略：

1. 消除弱点
   - 重新设计架构
   - 更换算法或协议
   - 修改实现方式
   - 移除不必要功能

2. 缓解弱点
   - 增加安全控制
   - 实施监控检测
   - 限制访问权限
   - 加强输入验证

3. 转移风险
   - 供应商责任转移
   - 保险风险转移
   - 用户责任转移
   - 环境依赖转移

4. 接受风险
   - 低风险接受
   - 成本效益考虑
   - 技术限制接受
   - 时间约束接受

6. 集成与验证

6.1 集成验证概述

6.1.1 验证目的（RQ-10-12）

应进行验证活动，以确认设计和集成的实施的组件符合完善的网络安全要求和建筑设计。

6.1.2 验证范围

集成验证应覆盖：

功能验证：安全功能是否正确实现
性能验证：安全功能的性能是否满足要求
接口验证：组件间接口是否安全可靠
集成验证：整体系统是否安全协调

6.2 验证规范制定

6.2.1 规范要求（RQ-10-13）

应定义集成和验证规范，考虑到精致的建筑设计、完善的网络安全要求等因素。

6.2.2 规范内容

集成验证规范内容：

1. 验证目标
   - 验证范围定义
   - 验证目标设定
   - 成功标准制定
   - 失败处理方案

2. 验证环境
   - 硬件环境配置
   - 软件环境搭建
   - 网络环境模拟
   - 测试工具准备

3. 验证方法
   - 测试方法选择
   - 验证工具使用
   - 数据收集方法
   - 结果分析方法

4. 验证用例
   - 正常功能测试
   - 异常情况测试
   - 边界条件测试
   - 攻击场景测试

6.3 测试用例设计

6.3.1 测试要求（RQ-10-14）

如果试验用于验证活动，则应规定包括合格/不合格标准的试验案例。

6.3.2 测试用例类型

网络安全测试用例类型：

1. 功能测试用例
   - 认证功能测试
   - 授权功能测试
   - 加密功能测试
   - 完整性检查测试

2. 安全测试用例
   - 输入验证测试
   - 边界条件测试
   - 异常处理测试
   - 错误恢复测试

3. 攻击测试用例
   - 注入攻击测试
   - 缓冲区溢出测试
   - 权限提升测试
   - 拒绝服务测试

4. 集成测试用例
   - 接口安全测试
   - 数据流安全测试
   - 通信安全测试
   - 系统协调测试

6.3.3 测试用例示例

测试用例示例：

用例ID：TC-SEC-001
测试目标：验证CAN消息认证功能
前置条件：
├── 系统正常启动
├── 密钥已正确配置
└── CAN总线正常通信

测试步骤：
1. 发送带有正确HMAC的控制消息
2. 验证消息被正确接收和处理
3. 发送带有错误HMAC的控制消息
4. 验证消息被拒绝并记录日志
5. 发送重放的历史消息
6. 验证重放消息被检测和拒绝

期望结果：
├── 正确消息被接受处理
├── 错误消息被拒绝
├── 重放消息被检测
└── 所有异常被记录

通过标准：
├── 功能正确率100%
├── 异常检测率100%
├── 响应时间<10ms
└── 无误报和漏报

6.4 测试覆盖率

6.4.1 覆盖率要求（RQ-10-15）

测试用例的测试覆盖率应使用与网络安全相关的定义测试覆盖率度量来确定测试活动的完整性。

6.4.2 覆盖率指标

网络安全测试覆盖率指标：

1. 功能覆盖率
   - 安全功能覆盖率
   - 安全要求覆盖率
   - 安全控制覆盖率
   - 接口覆盖率

2. 代码覆盖率
   - 语句覆盖率
   - 分支覆盖率
   - 路径覆盖率
   - 条件覆盖率

3. 威胁覆盖率
   - 威胁场景覆盖率
   - 攻击路径覆盖率
   - 攻击技术覆盖率
   - 漏洞类型覆盖率

4. 环境覆盖率
   - 运行环境覆盖率
   - 配置组合覆盖率
   - 负载条件覆盖率
   - 异常情况覆盖率

6.5 漏洞发现测试

6.5.1 测试建议（RC-10-12）

应进行测试，以确认组件中剩余的未识别的弱点和漏洞被最小化。

6.5.2 测试方法

漏洞发现测试方法：

1. 功能测试
   - 正常功能验证
   - 异常功能测试
   - 边界条件测试
   - 压力测试

2. 漏洞扫描
   - 自动化扫描工具
   - 已知漏洞检测
   - 配置安全检查
   - 弱密码检测

3. 模糊测试
   - 输入模糊测试
   - 协议模糊测试
   - 文件格式模糊测试
   - 网络模糊测试

4. 渗透测试
   - 黑盒渗透测试
   - 白盒渗透测试
   - 灰盒渗透测试
   - 红队演练

6.5.3 测试免除理由（RQ-10-13）

如果不按照建议进行测试，则应提供理由，可以包括：

组件攻击面的可行性评估
访问组件能力的分析
组件简单性的考虑

7. 工作产品管理

7.1 必需工作产品

产品开发阶段应产生以下工作产品：

WP-10-01：网络安全规范
WP-10-02：开发后的网络安全要求
WP-10-03：建模、设计或编程语言和编码准则的文件
WP-10-04：网络安全规范的核查报告
WP-10-05：在产品开发过程中发现的弱点
WP-10-06：集成和验证规范
WP-10-07：整合和核查报告

7.2 工作产品质量

7.2.1 质量要求

每个工作产品应满足：

完整性：涵盖所有必需内容
准确性：技术信息准确可靠
一致性：内部逻辑一致，与其他产品协调
可追溯性：能够追溯到上级要求
可实现性：技术上可行，经济上合理

7.2.2 质量保证

工作产品质量保证：

过程保证：
├── 标准化开发流程
├── 里程碑检查点
├── 同行评审机制
└── 持续改进反馈

内容保证：
├── 技术审查验证
├── 一致性检查
├── 完整性验证
└── 可追溯性确认

工具保证：
├── 开发工具管理
├── 版本控制系统
├── 配置管理工具
└── 质量检查工具

8. 实施指导

8.1 实施策略

8.1.1 分阶段实施

产品开发实施阶段：

设计阶段（4-6周）：
├── 需求分析和细化
├── 架构设计和优化
├── 控制措施选择
└── 接口规范定义

实现阶段（8-12周）：
├── 详细设计实现
├── 代码开发编写
├── 单元测试验证
└── 集成测试准备

验证阶段（4-6周）：
├── 集成测试执行
├── 安全测试实施
├── 漏洞扫描检测
└── 渗透测试评估

完善阶段（2-3周）：
├── 问题修复处理
├── 文档完善更新
├── 最终验证确认
└── 交付准备

8.1.2 关键成功因素

产品开发成功的关键因素：

需求理解：准确理解和分解安全需求
设计质量：采用安全设计原则和最佳实践
实现规范：遵循安全编码规范和标准
测试充分：进行全面深入的安全测试
团队协作：建立有效的跨团队协作机制

8.2 常见挑战

8.2.1 技术挑战

产品开发技术挑战：

1. 性能与安全平衡
   - 安全机制影响系统性能
   - 实时性要求与安全检查冲突
   - 资源限制与安全功能需求矛盾

2. 复杂性管理
   - 系统架构复杂度高
   - 安全机制相互依赖
   - 集成测试复杂度大

3. 技术选择
   - 安全技术方案选择
   - 工具和平台选择
   - 标准和规范遵循

4. 质量保证
   - 安全功能验证困难
   - 漏洞检测不完全
   - 测试覆盖率不足

8.2.2 管理挑战

产品开发管理挑战：

1. 进度管理
   - 安全开发周期长
   - 安全测试时间需求大
   - 问题修复影响进度

2. 资源管理
   - 安全专家资源稀缺
   - 安全工具成本高
   - 测试环境搭建复杂

3. 质量管理
   - 安全质量标准高
   - 验证方法复杂
   - 文档要求严格

4. 风险管理
   - 技术风险不确定性
   - 进度风险影响大
   - 质量风险后果严重

8.3 应对策略

8.3.1 技术应对策略

技术挑战应对策略：

性能优化：
├── 安全机制优化设计
├── 硬件加速技术应用
├── 算法效率提升
└── 系统架构优化

复杂性管理：
├── 模块化设计方法
├── 分层架构设计
├── 接口标准化
└── 工具自动化支持

技术选择：
├── 技术评估和比较
├── 原型验证测试
├── 专家咨询建议
└── 行业最佳实践参考

质量保证：
├── 多层次测试策略
├── 自动化测试工具
├── 第三方安全评估
└── 持续集成验证

8.3.2 管理应对策略

管理挑战应对策略：

进度管理：
├── 合理的进度规划
├── 并行开发策略
├── 风险缓冲时间
└── 敏捷开发方法

资源管理：
├── 人才培养计划
├── 外部资源利用
├── 工具共享机制
└── 成本效益优化

质量管理：
├── 质量标准制定
├── 过程监控机制
├── 持续改进文化
└── 最佳实践分享

风险管理：
├── 风险识别评估
├── 预防措施制定
├── 应急预案准备
└── 定期风险评审

9. 最佳实践

9.1 设计最佳实践

9.1.1 安全设计模式

常用安全设计模式：

1. 单点登录模式
   - 集中身份认证
   - 统一权限管理
   - 会话状态同步
   - 安全令牌传递

2. 安全代理模式
   - 访问控制代理
   - 安全检查集中
   - 透明安全服务
   - 策略统一管理

3. 安全网关模式
   - 网络边界保护
   - 协议转换安全
   - 流量监控分析
   - 威胁检测防护

4. 安全容器模式
   - 隔离执行环境
   - 资源访问控制
   - 安全策略执行
   - 运行时保护

9.1.2 编码最佳实践

安全编码最佳实践：

1. 输入验证
   - 白名单验证优于黑名单
   - 数据类型和格式检查
   - 长度和范围限制
   - 特殊字符过滤

2. 输出编码
   - 上下文相关编码
   - HTML实体编码
   - URL编码处理
   - SQL参数化查询

3. 错误处理
   - 统一错误处理机制
   - 敏感信息不泄露
   - 详细日志记录
   - 优雅降级处理

4. 资源管理
   - 及时释放资源
   - 避免资源泄露
   - 限制资源使用
   - 监控资源状态

9.2 测试最佳实践

9.2.1 测试策略

安全测试策略：

1. 分层测试
   - 单元安全测试
   - 集成安全测试
   - 系统安全测试
   - 验收安全测试

2. 多维测试
   - 功能安全测试
   - 性能安全测试
   - 兼容性安全测试
   - 可靠性安全测试

3. 全面测试
   - 正常场景测试
   - 异常场景测试
   - 边界条件测试
   - 攻击场景测试

4. 持续测试
   - 开发阶段测试
   - 集成阶段测试
   - 部署阶段测试
   - 运营阶段测试

9.2.2 自动化测试

安全测试自动化：

工具选择：
├── 静态分析工具（SAST）
├── 动态分析工具（DAST）
├── 交互式分析工具（IAST）
└── 软件组成分析工具（SCA）

流程集成：
├── CI/CD管道集成
├── 代码提交触发
├── 自动报告生成
└── 问题跟踪管理

质量保证：
├── 误报率控制
├── 覆盖率监控
├── 性能影响评估
└── 结果可信度验证