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技术闲谈之汽车网络安全（一）

来源：公众号“汽车电子与软件”

2020-09-16

作者 | Peter 李成仙

来源 | 汽车电子与软件

前言：

伴随着“软件定义汽车”的趋势，车内的软件占比越来越大，在运行时确定具体行为的部分越来越多，“网联化”又使得车内与外界的联系越来越紧密，“网络安全”这座大冰山也慢慢进入汽车人的视野。同其他技术一样，“网络安全”相关的技术与问题都可参考PC行业、互联网行业，但其又有汽车行业的一些特性。这篇文章，就将结合汽车行业的特性，讲一讲网络安全。

注：本文中的“网络安全”不包括“企业信息安全”。另“网络安全”所涉范围极广，本文只能浅谈并在一俩领域深入

1 基本概念

1.1 功能安全与网络安全

“功能安全”对汽车行业的工程师而言，是老熟人了，标准流程体系都很完善。随着汽车的“网联化”，“网络安全”出现了，所以很多人第一反应是“这两者有什么区别”？

网络安全：网络安全是指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然的或者恶意的原因而遭受到破坏、更改、泄露。

功能安全：是指电子电气系统在设计或实施上受到保护，从而避免其发生故障后导致的人身、财产损害。

这两者的区别在于“Cyber Security”防范的是外部的恶意，如车主的好奇心、黑客的攻击等；而“Functional Safety”防范的是失效/故障，这个故障可能是自身老化/设计导致的，也可能由于外部的常见工况导致的，如沙尘、振动、下雨等。

这两者的也是互相关联的，比如说网络安全也可能导致功能失效，因此建议各个有功能安全要求的件，最好也考虑一下网络安全。这一块很多文章都讲的比较多，大家可以自行搜索一下。

1.2 网络安全防护的目的

上文中提到网络安全防范的是“外部的恶意”。对一个系统而言，“外部的恶意”是存在极大的不确定性的，取决于以下几个因素：

当前系统对攻击者的价值
当前系统与攻击者的关系
攻击者的心情
攻击者的兴趣
....

这些因素除了第1条之外，其他的都无法预测、无规律的，除了劝你为人低调一些之外好像毫无办法，所以，我们只能针对“当前系统对攻击者的价值”对“外部的恶意”来进行评估。而攻击者的目的呢，相应的我们也简化为理性的“获取利益”。

所以，从理性的角度上来讲“网络安全”就是一场“道高一尺，魔高一丈”、“无止尽”的攻防游戏。

而网络安全防护的目的与其他的攻防游戏一样，是“让攻击者付出的代价比攻破此系统带来的收益低”。这里，非常典型的例子，就是“人民币的造假”。人民币的造假现象现在相对比较少，是因为：

要想造出真的人民币，比如说仿制100元人民币，单张的制造成本要高于100元
央行不断推进新版人民币，采用新技术，始终将仿制成本高于安全线
造假的人民币，一旦被抓获，要处三年以上有期徒刑甚至无期徒刑

从上面这个例子，也可以看出，这个攻防游戏是“无止尽”的。因为随着技术的进步，攻击者达到同样的攻击水平，需要付出的成本会越来越低，这时网络安全防护则需要不断升级自己的技术，重新提高攻击者的攻击成本。

OK，讲了这么多概念，接下来讲一讲干货，现代电子商务的基石——公钥基础设施PKI

2 PKI与非对称加解密

公钥基础设施这个名词讲起来比较拗口，要想把它彻底搞清楚，大家可以买一本书去看，从底向上，我将其分为5个层级。为避免过程过于枯燥，先从最常见的”数字证书“讲起。

2.1 层级四：数字证书

现代电子商务或网络通信的一大问题在于，如何在不可信的环境中做到身份认证，即"如何证明我是我?”在中国，用“身份证”，在数字领域，用“数字证书”。

咱们可以随便打开一个网页，如果是chrome的话，可以点击网址左边的“锁”，打开其“证书”，主要可以看到如下信息。

数字证书的信息大概包含这么三类：

1、使用者信息

使用者：最重要的域，目前一般为域名，用户个人使用则为姓名。
公钥：非对称加密中用户公开的那个密钥，谁都能看到
有效期

2、颁发者信息

颁发者：谁颁发的这个证书？
颁发者的签名：颁发者对该证书的所有信息的数字签名，表明他对这个证书的真实性负责。

3. 其他：如证书的版本号、序列号等，在此略过不表

我们在打开一个网页时，如果是HTTPS网址的，浏览器会自动检查网站证书的有效性，如网站的域名与“使用者”是否匹配？证书是否有效？证书的颁发者是否有效？等等。若网站证书有问题，浏览器则会显示相应的警告。若此证书有效，则浏览器会开始使用证书内的信息（主要是公钥），用于与其进行通信。

2.2 层级二及三：非对称加解密及数字签名

数字证书的关键在于公钥，以及颁发者的签名。为什么公钥可以公开？为什么数字签名就可以代表颁发者？接下来讲这两个问题。

非对称加解密就是指一种特殊的加解密算法，这种算法的加密密钥（公钥）和解密密钥（私钥）是不一样的，且由公钥是极难推断出私钥的，即使有大量的明文和密文对也一样。常见的有RSA算法，及椭圆曲线(ECC)算法。

非对称加解密之公私钥

因为有一对不一样的密钥，所以其中一把密钥可以作为公钥公开出来。私钥需要自行妥善保存，比如说存在加密机中。

这样的话，如果A要给B发送加密消息，那么就B的公钥加密一下，发送出来，只有A才能用自己的私钥解密。

那么公钥可以用于发送方加密，私钥可不可以用于发送方加密呢？也可以，只是不叫“加密”，叫签名，因为一发出去，大家都可以解密。下面是个例子：

上图中，B使用公钥验签后，发现生成的摘要与原摘要一致，就算验签成功。因为能使用A的公钥解密的信息，只可能是用A的私钥加密的。由于只有A才会拥有A的私钥，所以可以确定“这段明文”确实是由A发送的。

2.3 层级五：PKI体系

前文中反复提到了“使用A的公钥验签”、“使用A的公钥签名”，那么如何获取A的公钥呢？获取到了之后，如何相信A的公钥真的是A的公钥呢？这就需要使用到PKI体系了。下面是百度中的定义：

公钥基础设施是一个包括硬件、软件、人员、策略和规程的集合，用来实现基于公钥密码体制的密钥和证书的产生、管理、存储、分发和撤销等功能。

其核心是证书的产生和分发层级：

关键的流程就两个：

1、证书的签发流程：即怎么样才能拿我自己的证书呢？简单的说，填个表，找个子CA，付一笔年费，就可以拿到了，上面写着大伽A证明大牛B证明凡人C是凡人C。复杂的说：

全世界有大概几十家左右的根CA（Certificate Authority)，计算机上都会预置这些CA的数字证书。比如Amazon、Verisign这种，他们有一整套的机制保证自己是可信的。基于此，他们有自己的数字证书，及与之匹配的私钥。
若想建立自己的子CA，则可向这些家申请，要每年付不菲的年费。那么这些根CA会给你的子CA生成一个私钥以及配对的数字证书（公钥）。
若普通用户要获取自己的数字证书，则向子CA申请即可，流程与上一步一样。

2、证书的信任流程：即我为什么相信你是你呢？简单的说，就是因为你手上拿了个证明信，上面有某某单位的公章，我因为相信这个单位，又相信这个公章不是伪造的，所以相信你是你。复杂的说（拿bing.com为例）：

先查验DigiCert Baltimore Root的证书，是否与我本地预置的证书一致。
再检查Microsoft IT TLS CA 2的证书上的数字签名，是不是真的是由DigiCert Baltimore Root生成的？
再检测bing.com的证书上的数字签名，是不是真的由Microsoft IT TLS CA 2生成的？

由以上两个流程就可产生分层级的信任关系，而在不可信的网络中建立了信任关系（信任锚）之后，其他的应用业务就好开展了。

3、PKI体系还有另外一些问题：

证书的吊销——给某人发了证书后，这人用此证书从事非法经营怎么办？把他的证书吊销了。具体的方法有OCSP及CRL。
证书的更新——给某人发了证书后，这证书过期了咋办？如何更新呢？所以证书的有效期的选择也需要谨慎考虑，太短的话频繁失效，更新起来麻烦。太长的话，它又有可能出现私钥的保存问题。
私钥的存储——私钥是信任的核心，如果私钥被他人窃取或复制，那么整个信任体系就失效了，特别是ROOT CA的。所以，私钥最好不要离开生成的机器，且在物理上与外界隔绝，如使用加密机：私钥始终不可见，只可重新生成，不可拷贝等。

2.4 层级一：NPC问题（附加题）

前文有提到过，在知道“公钥”及很多“明文密文对”时，也很难推断出“私钥”，这是为什么呢？此节简要讲一下这个问题，这属于密码学的范畴。

RSA的数学基础是大数的分解问题，属于NPC（非确定性多项式完全问题）问题；椭圆曲线的本质是离散对数问题，也属于NPC问题。

NPC问题是指这样的一类问题：无法在多项式时间复杂度内计算出问题的答案，但一旦知道答案可在多项式时间复杂度内验证答案是否正确。用计算机的语言表达是指其时间复杂度>O(n^a)，可能为指数级O(2^n)，甚至O(n!)。当需要求解的n较大时，这类问题的求解就远超出当前计算机的计算能力。

以RSA为例，当前使用较多的密钥长度为2048位，超级计算机需要数十年才能破解。即使随着科技发展2048位被破解了，那就用4096位吧，破解所需要算力上升2^2048倍。而加密、解密所需的代价只上升几十倍（具体没算过，但NPC问题的验证为多项式复杂度，可控）。

所以，只要NPC问题未被解决，即证明其可转化为P问题，PKI体系仍是坚如磐石。因为即使量子计算机可轻松破解2048位的RSA密钥，那大不了就增加一点难度吧，用4096位的。

2.5 PKI在汽车行业的应用场景

PKI体系在汽车行业的应用场景非常广泛，如远程车控、近场车控、安全启动、Ethernet通信安全等等。在此处讲一个优先级最高的“远程车控”的实例。

1. 企业应该先行建立自己的PKI体系，即引入一个PKI供应商，将证书的颁发、申请、吊销等公用模块建立起来。接下来，在其之上，建立各应用的流程。

2. 手机端、云端与车端Tbox，都在本地生成自己的私钥，并在云端申请完自己的证书。这也需要制定相应的业务流程。

三端都需要妥善保管好自己的私钥，手机端可以将私钥存储在TEE中，云端可存储的选择会较多，车端可存储在HSM或TEE中。若没有这些硬件的存储方式，可以使用软件的白盒加密方法，安全性也有一定保障。白盒加密也就是说即使遭遇白盒攻击，其密钥也较难被破解。

3. 大家都具备证书与私钥后，业务流程就变地相当简单：

云端与车端由于交互较多，建议两端通过双向认证交换“会话密钥”（对称密钥）。因为对称加密要比非对称加密要快上千倍，根据密钥长度不同会稍有变化。交换会话密钥的流程可参考TLS的双向认证的握手流程。
手机端将车端指令发给云端，并使用自己的私钥进行签名。云端收到之后，使用手机A的数字证书，进行验签。
云端将车控指令用协商好的“会话密钥”加密后，发送给车端。车端验证后，即可在内部执行。

在采用PKI体系之前，业内的“远程车控”也有解决方案，只是这些方案的根基都在于“方案设计”的保密性，无法防范内部员工或离职员工的攻击。而基于PKI体系的方案，不依赖于任何个人，没有脆弱性。

好了，这次先分享这么多，都是些基本概念，下次将继续讲讲汽车行业内的网络安全问题。