AUTOSAR SecOC(Secure Onboard Communication)机制简介

原创 已于 2024-02-27 18:54:37 修改 · 5.6k 阅读 · 97 ·
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#网络安全 #汽车 #mcu #安全架构 #安全 #AUTOSAR #SecOC

于 2024-02-23 15:17:46 首次发布
随着汽车功能增强，ECU间通信需求增加，但存在信息安全问题。AUTOSAR定义的SecOC机制可保障车辆ECU通信的真实性和完整性。本文介绍了SecOC机制，包括安全PDU的格式、创建与认证，SecOC和PDUR的交互，以及新鲜度值管理等内容，同时指出实际应用中存在的问题。

一、背景

随着汽车功能越来越强大，ECU数量也不断增加，从十几个逐渐增加到几十个。且为完成越来越高阶的汽车功能，各ECU之前需紧密配合，ECU间的通信需求也急剧增加。但汽车通信在设计之初，也存在早期TCP/IP协议栈上出现的问题：没有考虑信息安全。在汽车内部通信环境中，接收端ECU只要检测到总线上的发送给我的信号，且信号格式是规范的，ECU就会进行响应。例如智驾模块的ACC功能检测到前车刹车，可以发送一个刹车信号给刹车ECU，刹车ECU接收到信号后，就进行刹车。但攻击者也可以去重放或伪造一个刹车信号，直接发送到总线中，此时刹车ECU检测到刹车信号，同样会做出刹车动作。出现此问题的核心在于，刹车ECU无法区分接收到的信号是合法ECU发出的还是攻击者伪造/重放的，刹车ECU只要接收到符合规范的信号，就做出响应。故从信息安全角度考量，需要一套机制来保障ECU能识别信号是否为合法的发送方所发送的，即检测接收到的信号的真实性和完整性。
为解决此需求，AUTOSAR中定义了SecOC(Secure Onboard Communicaton)机制，通过该机制来保障车辆ECU之间通信的真实性和完整性，使得ECU可以识别出伪造或重放的信号，从而规避攻击者的攻击。

二、概述

在这里插入图片描述
SecOC的总体机制如上图所示：

  • SecOC需在发送方和接收方同步实施
  • SecOC模块与PduR模块进行交互
  • 在发送方， SecOC 模块通过向待发送的原始PDU 添加认证信息，从而创建出安全 PDU。认证信息包括 MAC 值（消息认证码）和新鲜度值信息。
  • 在接收方， SecOC 模块通过验证发送方 SecOC 模块附加的认证信息来检查安全 PDU 的新鲜性和完整性。只有接收方 SecOC 的安全 PDU数据是发送方 SecOC 生成的安全 PDU 数据时，接收方才能验证通过，验证通过后由 PDUR 模块将该 PDU 转发至应用层使用；若PDU数据不是合法的发送方所发送或被非法篡改，均会导致验证不通过，则PDUR不再路由该 PDU到应用层。
  • PDU 发送方和接收方的 SecOC 模块从新鲜度值管理模块获得每个安全 PDU 的新鲜度值（FreshnessValue，简称 FV）。接收方必须能正确获取到发送发计算MAC时使用的FV值，若接受方获取到的FV值和发送发FV值不相同，必然会导致MAC验证失败。保证FV值的相同由新鲜度值管理模块进行管理。

三、安全PDU

3.1 安全PDU格式

在这里插入图片描述

如上图所示，安全PDU由4部分组成：安全PDU头（可选）、原始PDU、新鲜度值（可选）、认证信息（MAC值）

  • Secured I-PDU Header：原始I-PDU的长度。当原始PDU为动态PDU时，需通过header中长度知晓FV和Authenticator的位置。通常不使用该字段。
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

  • Authentica I-PDU：原始I-PDU

  • Freshness Value：新鲜度值

  • Authenticator：认证信息，即MAC值

3.1.1 Authenticator/MAC

MAC 值是使用密钥(KeyID)，安全 PDU 的数据标识符（如 CAN-FD 协议的 PDU 数据标识符为 CANID），原始 PDU和新鲜度值通过 AES-128-CMAC 算法生成的唯一认证数据串。

  • KeyID: 在进行 MAC 计算时是需要密钥参与的，通常密钥是由 CSM（加密服务模块）提供，一般 CSM 模块会封装密钥，一个 KeyID 对应一个密钥，在调用时只需要接口提供 KeyID来参与 MAC 计算， KeyID 进行设置的话，设为 01（固定值），长度 8 位，范围设置为 0x01-0xFF 之间。
  • CANID:根据标准定义 16bit 的 Data Id（参数： SecOCDataId）
  • 新鲜度值：每个安全 PDU 需要配置有一个新鲜度值。新鲜度值 FV 是用于确保安全 PDU 新鲜度的单调计数器。新鲜度值应来自新鲜度值管理模块。

SecOC 模 块 应 构 造 用 于 生 成 MAC 值 的 数 据 DataToAuthenticator 。
DataToAuthenticator 由 PDU 的数据标识符 SecOCDataId，原始 PDU 以及该 PDU 的数据标识符相对应的完整新鲜度值进行连接构成。 PDU 的数据标识符和新鲜度值应以 BigEndian字节顺序编码。

3.1.2 新鲜度值和Authenticator截断

原始新鲜度值长度为8字节，原始MAC值长度为16字节。为降低链路负载，可考虑对新鲜度值和MAC进行截取一部分，作为有效信息。

  • 新鲜度值：N字节，从低有效位开始截取，长度可自定义
  • MAC值：M字节，从高有效位开始截取，长度可自定义
    在这里插入图片描述

3.2 安全PDU的创建

为原始PDU创建安全PDU包含如下6个步骤：

  1. 准备构建安全 PDU
    在准备期间，应分配必要的缓冲区以保存认证过程的中间和最终结果。
  2. 为生成 MAC 值构建数据
    SecOC 模 块 应 构 造 用 于 生 成 MAC 值 的 数 据 DataToAuthenticator 。
    DataToAuthenticator 由 PDU 的数据标识符 SecOCDataId，原始 PDU 以及该 PDU 的数据
    标识符相对应的完整新鲜度值进行连接构成。 PDU 的数据标识符和新鲜度值应以 BigEndian
    字节顺序编码。
  3. 生成 MAC 值
    SecOC 模块应通过将 DataToAuthenti
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### SecOC技术原理 SecOC（Secure On-Board Communication）是一种用于车载网络中的安全通信机制，旨在确保ECU（电子控制单元）之间传输数据的真实性和完整性。其核心技术原理是通过在通信协议数据单元（PDU）中添加安全相关信息，使接收方能够验证消息的来源和内容是否被篡改。这一过程通常涉及使用对称加密算法生成消息认证码（MAC），并将其附加到原始数据中。接收端使用相同的密钥对接收到的数据重新计算MAC，并与发送端提供的MAC进行比对，从而判断数据是否完整且未被篡改 [^1]。 此外，SecOC还支持密钥管理机制，包括密钥的生成、分发、更新和销毁。当密钥到达生命周期终点或发生安全事件时，需通过专门的算法对密钥进行多次覆盖擦除，防止密钥残留造成的信息泄露风险 [^3]。 ### 实现方式 SecOC模块可以无缝集成到AUTOSAR架构中，作为COM模块的一个扩展组件。它在应用层与底层通信栈之间提供安全增强功能，无需对现有通信协议进行大规模修改即可实现安全通信。SecOC模块通常包含以下几个关键组件： - **安全网关**：负责在发送端为数据添加认证信息，在接收端验证数据完整性。 - **密钥管理系统**：处理密钥的生命周期管理，包括密钥的生成、存储、更新和销毁。 - **加密引擎**：执行实际的加密和认证操作，如AES加密、HMAC生成等。 以下是一个简单的SecOC加密函数示例代码： ```c #include <autosar.h> void encryptData(uint8_t* data, uint8_t length) { // 使用AES算法对数据进行加密 // ... // 返回加密后的数据 } ``` 该代码展示了如何在SecOC模块中实现基本的数据加密功能，确保数据在传输过程中不被窃取或篡改 [^5]。 ### 安全通信协议 SecOC所依赖的安全通信协议主要基于对称加密和消息认证机制。常见的实现包括使用HMAC（Hash-based Message Authentication Code）或CMAC（Cipher-based Message Authentication Code）来生成消息摘要，并将该摘要附加到原始数据中一同发送。接收端使用相同的密钥重新计算摘要并与接收到的摘要进行比较，若一致则认为数据完整可信 [^4]。 SecOC还可以与其他安全协议结合使用，例如TLS/DTLS、IPsec和MACsec，以构建多层次的安全通信体系。这些协议分别保护不同层级的数据传输安全，而SecOC专注于应用层的安全增强，形成完整的安全防护体系 [^2]。 随着智能汽车的发展，SecOC正在向更高性能的加密算法演进，例如支持更长的密钥长度、更快的加密速度以及更强的身份认证机制。同时，它也在朝着支持OTA（Over-The-Air）升级、远程诊断等功能方向发展，以适应日益复杂的车联网环境 [^3]。 ---
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