汽车网络安全--SoC中的Security系统

laoxiang21

Security系统是集成电路(即微控制器或SoC)中的专用子系统。在汽车市场中，它们通常被称为安全硬件扩展(SHE)模块或硬件安全模块(HSM)。该系统的功能主要如下：

应用程序提供加解密服务，管理敏感信息和资产等；

为SoC提供平台安全性，保护APP完整性以及关键资产的机密性和可用性;

保护加密密钥等

1. 系统架构

通常带有Security系统的车规电子系统会划分为两个部分：Appl Domain和Security Domain；参考NXP提供的架构，如下：


Appl主要是常规的软件算法等，Security主要负责给Appl提供敏感信息等服务；
2.安全服务

2.1 安全服务请求

Appl Domain通过安全服务请求来使用HSM中的服务；安全服务请求的信息通常包含待处理的数据源地址和目标地址，要使用的加解密算法ID、密钥ID（想想为什么使用的是ID）。HSM在收到请求后根据请求类型立即或者稍后处理。2.2 密钥管理

密钥管理，顾名思义，包括HSM对密钥存储、派生、导入、继承等的管理；通常情况下，密钥是存在HSM内部non-volatiile memory中。从物理上，将密钥和Appl进行隔离；同时，HSM还可以对密钥进行加密，进一步保证密钥安全性；对HSM来说，密钥可根据类型进行分类管理，例如sym要使用的key为一组、asym要使用的为另外一组；所有的密钥都以slots形式管理，并且以slots ID来进行密钥的索引。对于Appl来说，可以通过密钥slots ID选择目标key，但是不能知道该key的具体值。为了避免在不安全的环境下注入密钥从而导致密钥泄露的问题，HSM提供密钥的内部生成、以及密钥的派生；密钥的派生典型场景就是用于TLS的通信。TLS主要分为两层，上层为握手协议，下层为记录协议，而记录协议主要是采用对称加密算法对消息进行处理；在上层握手时，就要共享信息，例如一些永久密钥、会话信息等，用于派生出临时的共享密钥和证书；握手成功后，就用这些临时共享密钥对数据进行加解密。为了保证PKI能够生成并安全将密钥下放到HSM系统，HSM还要支持密钥的更新、导入、导出；首先密钥的导入，是基于HSM或者整个系统的生命周期进行，例如，在芯片下线时，导入原始密钥到HSM空闲slots，而密钥更新的前提是更新方必须知道该密钥的slots、该密钥的具体值等；而密钥的导出仅支持以加密形式导出，防止密钥的泄露；除了上述描述外，最重要的，HSM必须给密钥分配其属性，例如只做验签的密钥，在某种程度上就不能用于签名的生成，这样就防止了Appl被恶意攻击后该密钥用于生成某些签名，从而影响整个系统安全。2.3 加密服务

加密服务通常是Appl用来保护即将要对外传输的关键敏感信息，HSM可以通过sym或者asym的cipher mode和机制，来生成加密后的数据，通常叫做密文。在加密服务中，常见的用法就是整车网络中数据交互时的保护，通过生成或者校验MAC值或者签名，同时为了满足实时性要求，整车中通常用的都是对称加密算法；从而也印证了密钥导入这一功能；在汽车不同ECU的交互过程中，身份的识别也是非常必要的。因此，一个共享密钥或者公私密钥对是需要的；这在TLS或者IPsec至关重要。除了上述服务，随机数的生成也需要HSM支持，这个功能主要给HSM自己使用，用于签名的生成或者对密钥进行加密。随机数分为真随机数和伪随机数，真随机数来源于高质量的熵源，伪随机数则来自一个确定算法；但是，在汽车某些实时性要求比较高的场景，TRNG中使用的熵源本质上是缓慢（熵源本质上有大气噪声、电子噪声、频率抖动等），并不总是满足应用程序的要求。因此，TRNG的输出被用于扩展熵池。熵池的内容用作PRNG的种子，这比TRNG快得多，并且PRNG的输出可用于应用程序。加密服务在汽车MCU级别使用的比较少的是on-the-fly encryption，这个加密方式在最初是为了保护存储在外挂SPI NORFlash中的只读firmware的机密，这里不多做介绍（主要我也没搞懂），参考资料STM OTFDEC。
3.Security安全策略

HSM作为整个系统的安全信任锚，在系统的访问权限上需要制定相应的安全策略；
        下面提供几个示例:

安全启动策略（Secure Boot）：配置整个系统的启动流程，包括并行启动、顺序启动、启动Stage等，定义安全启动失败后整个系统行为和对应惩罚措施；

系统memory访问权限策略

Firmware保护策略：内部flash读出权限，或者外挂flash的固件加密等；

Debug策略：在调试HSM时功能权限分配策略；

4.小结

在第三节安全策略中，其实大有深挖的地方，限于篇幅，这暂时不讲，在后续章节，我们会继续聊安全启动，密钥生命周期管理等
      本文其实就是一个HSM简单小科普，让大家知道它是干什么的。具体里面涉及的东西，我会从汽车方面展开，以芯片原厂、Tier1、OEM三个维度进行梳理和讲解。