ECU在OTA中的信息安全简介

一、概述

  随着汽车智能化程度越来越高，OTA已经是职能汽车的基础功能和标志性功能。OTA通常分为SOTA和FOTA，并且OTA过程中，通常涉及“云-管-端”三个环节。本文主要介绍一种在“端”上FOTA场景的信息安全部分，并涉及部分“云”和“管”上的信息安全内容。

二、总体流程

  以“端”为核心的OTA信息安全简化流程如下：

1. 主机厂在制作升级包的时候，需按照流程进行加密或验签等操作，确保升级包中包含了信息安全内容
2. ECU查询到存在可用的升级包
3. ECU需与车机交互，由用户授权进行下载和升级
4. ECU访问OTA服务器，获取升级信息，此步骤基于mTLS实现
5. ECU通过步骤3中的升级信息，通过单向TLS访问CDN，并进行升级包的下载
6. 升级包下载成功后，ECU对升级包进行解密并验签，通过后即可认为升级包合法，进入升级流程

三、信息安全细节

  在上述流程中，涉及信息安全的主要是TLS、加解密、验签等环节。用途如下：

1. TLS：通过TLS协议解决双方的可信认证和传输安全。建立mTLS时，ECU和OTA Server分别会验证对方证书的合法性，通过此机制双方都是合法的，避免有攻击者冒充ECU或冒充OTA Server。后续传输信息基于TLS，也保证了信息的传输安全性
2. 加解密：通过对升级包进行加解密，保证升级包的机密性。因为CDN是单向认证（实际也可以配置mTLS，即便是mTLS，也可以考虑对升级包加密），可能导致攻击者获取到升级包的CDN地址，即可进行下载。通过对升级包进行加密，使得攻击者即便知道CDN地址，下载的软件包也是密文，从而保护升级包的机密性。对升级包加密可有效保证升级包的机密性，但同时也带来一个问题：升级用时变长，因为升级包通常比较大，会导致解密过程耗时较多，进而导致整个升级用时变长
3. 验签：验签主要保证升级包的完整性和真实性

3.1 TLS

  TLS主要使用两种模式：双向认证mTLS、单向TLS。TLS原理都遵循RFC标准，以下做简单介绍

1. mTLS：在三次握手时，ECU会验证OTA Server的证书，OTA Server也会验证ECU的证书。验证过程包含：a.用证书链验证证书 b.使用OCSP验证证书。以上两步都通过，才可判定证书验证通过。
   a. 因OTA Server会验证ECU证书，因此需确保ECU具有证书和私钥。通常此证书和私钥在OEM产线注入，格式可选择P12等，其中私钥在ECU中需进行安全存储。
   b. 因使用到证书链，因此ECU需具有证书链。此证书链可通常可在开发阶段提前预置，并且ECU需要确保证书链的不可更改性。
2. 单向TLS：当服务端无法配置mTLS时，可配置单向TLS。单向TLS仅实现ECU对OTA Server的认证，OTA ServER缺少对ECU的认证，其他和mTLS一致

3.2 加解密

  对升级包进行加密主要目的是保护升级包的机密性，但缺点是需解密操作，比较耗时（尤其在软件包较大时），因此是否对软件进行加解密应综合考虑。加解密通常使用对称算法AES（非对称速度更慢），可使用AES-CBC或AES-GCM等算法实现（具体实现可参考mbedtls移植之AES算法）。使用对称算法需要解决一个重要问题：对称密钥的机密性保护。通常此对称密钥不建议预置，因为采用预置的方式，密钥泄漏后难以更新已量产车的密钥。推荐在OTA时实时下发，简单点就通过mTLS在“请求OTA基础信息”时OTA Server下发到ECU。若想安全性更高，可以考虑采用数字信封方案。

3.3 验签

  验签主要目的是验证升级包的完整性和真实性，验签在OTA过程中必须具有，否则攻击者可伪造升级包或篡改升级包后进行OTA，导致非法或非预期软件运行在ECU中。验签通常使用SHA256+RSA2048或SHA256+ECDSA算法（具体算法实现可参考mbedtls移植之RSA签名验签算法和mbedtls移植之ECDSA签名验签算法），验签过程简化图如下：

通常非对称的公私钥对由OEM生成和管理，私钥需严格保护，避免泄漏。公钥或证书可在OEM产线注入到ECU中，也可提前给供应商预置，ECU中的公钥或证书需具有不可更改性。若攻击者可篡改此公钥/证书，则会导致验签流程不可信。

四、思考

1. OTA过程中需要信息安全的目的核心是保障升级包的完整性和真实性，因此最基础的需求是升级包需具有签名且ECU需对升级包进行签名验签。在此基础上，可扩展出更多信息安全需求，例如传输的安全性、升级包是否有必要保护机密性、相关证书/密钥等如何安全的传输和存储等。
2. 应结合实际场景进行方案设计，例如有些ECU仅支持OBD刷写，那理论上ECU只要做签名眼前即可，其他环节的安全性不需要ECU参与。有些ECU支持OTA，但属于被刷件，那相关措施就需要在OTA Master上实施。
3. 应建立PKI系统以便规范化的管理相关密钥、证书等。