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网络安全：关于SecOC及测试开发实践简介

来源：公众号“汽车电子与软件”

2021-06-02

前言

我们知道，在车载网络中，大部分的数据都是以明文方式广播发送且无认证接收。这种方案在以前有着低成本、高性能的优势，但是随着当下智能网联化的进程，这种方案所带来的安全问题越来越被大家所重视。

为了提高车载通信的安全性，各OEM已经采用针对敏感数据增加诸如RollingCounter和Checksum的信息，但其能实现的安全性十分有限。

而随着车载网络技术的发展，我们有了更多的方式来实现网络安全。

SecOC简介

SecOC全称Secure Onboard Communication，主要用于对车内敏感信息进行认证。

其数据结构如下：Authentic I-PDU是需要被保护的数据；Authenticator为认证信息（通常使用消息认证码，即Message Authentication Code，简称MAC，后文以MAC来简称此内容）；Secured I-PDU Header为可选用的报头；Freshness Value为可选用的新鲜度值。

图1 Secured I-PDU结构

而在实际使用中，新鲜度值和MAC可能会使用较多长度的数据来提高安全性，但这又会消耗大量的带宽等资源，所以常使用截取的方式做平衡处理。新鲜度值和MAC都按照完整的值来生成，但是在发送和认证的时候只会截取一部分，如下图所示：

图2 Secured I-PDU的截取

以CANoe Demo中的ARXML为例，其节点ECU1发送的Secured_PDU_1分别包含了8个字节的Authentic I-PDU，1个字节的新鲜度值（实际长度8字节）和3个字节的MAC（实际长度16字节）。

图3 Secured I-PDU在ARXML中的排布示例

接下来我们就以此Demo为例，来详细谈谈SecOC中2个重要的组成部分：新鲜度值管理（Freshness Value Manager，简称FVM）和MAC生成。

新鲜度值管理

在SecOC中，给出了多种新鲜度值管理方案：
❀ 基于counter的递增，即包含了原有方案的机制
❀ 基于全局时间戳，源于时间戳的唯一性
❀ 基于同步的复合counter

这里我们主要谈一下第三种方案。在此方案中，完整的新鲜度值包括同步计数器（Trip Counter）、重置计数器（Reset Counter）、重置标志值（Reset Flag）和消息计数器（Message Counter）。其中消息计数器又分为高值和低值，而真正在报文中发送的值只包含消息计数器的低值和重置标志值。

图4 新鲜度值结构

新鲜度值的更新如下所示，完整的新鲜度值为0x10000040F，实际发送的新鲜度值为0xF。而由于重置标志值为1 bit，消息计数器虽然以步长1递增，实际发送到总线上的新鲜度值则是以2的步长递增。

图5 新鲜度值示例

从上述内容可以看出，新鲜度值存在2个重要的基准：同步计数器和重置计数器，这2个计数器需要接收方和发送方保持一致。SecOC在新鲜度值管理上提出了主从模式的框架，由主节点向接收方和发送方分发同步计数器和重置计数器，从而达到同步的目的。

图6 主从模式的新鲜度值管理

图7 新鲜度值的分发示例

MAC生成

MAC是对受保护数据的身份认证。其中涉及的加密算法多种多样，每个算法还可以有多个配置。这里我们以SecOC提供的一个方案Profile 1进行说明，其使用CMAC/AES-128的算法，截取8 bit的新鲜度值和24 bit的MAC，配置信息如下所示。

图8 Profile 1配置

除此配置外，MAC生成还需要128 bit的密钥（这里预先定义了0x0102030405060708090A0B0C0D0E0F10）、16 bit的Data ID（这里预先定义了33）、完整的新鲜度值和需要认证的数据。Data ID是用来标识I-PDU的数据，可以给密钥管理机制提供支持。以demo中时间戳为8.300203的I-PDU进行说明，需要认证的数据为0xE8030000000000FF，完整的新鲜度值为0x100000405，实际进行加密运算的数据为Data ID、待认证数据和完整新鲜度值的拼接，计算后的实际MAC为0x498330e818f3fbb068759ff3b72d015f，截取24 bit后发送的MAC为0x498330。

图9 MAC发送示例

这里使用的加密为对称加密，以更快地进行I-PDU的交换。通常的做法还包括利用非对称加密的方式来传递对称加密的密钥，以此完成密钥的定期更新。通过对Data ID、I-PDU和密钥的映射，以及密钥的更新和分发，可以做到一个非常完整的密钥管理方案。

SecOC测试开发

从上面可以看出，SecOC的机制是比较复杂的，按照过往的项目经验，需要测试验证的内容包括新鲜度值管理、MAC认证、密钥分发等。

为了保证ECU的运行环境，并监测ECU自身的行为，我们需要仿真其外部条件，包括同步报文、ECU接收的SecOC报文等。为了实现此仿真环境，可以使用CANoe提供的Security模块。

在CANoe的Security Configuration中，对SecOC方案的进行选择与配置，并将其与控制器的端口形成映射。

图10 Security Configuration配置

在ARXML中，可直接配置相关的信息，包括Data ID、新鲜度值的长度等。通过这种方式，可以对每个I-PDU进行不同Data ID的配置从而形成I-PDU和Data ID的映射。

图11 ARXML相关配置

在CANoe的Security Manager中，可以对Data ID进行其密钥的写入，实现密钥与Data ID的映射。

图12 Security Manager相关配置

除了使用CANoe的Security模块，还可以集成CANoe的SecOC接口函数等进行编程来实现仿真环境。解决了仿真环境后，需要依据所开发的测试用例实现测试脚本。一方面验证正向的SecOC流程，另一方面验证SecOC机制的防“攻击”特性。通过使用CANoe的各个内置函数及外部第三方编程接口，对仿真条件进行相应的输入控制器，并监测ECU的反馈，就可以高效地完成SecOC的验证。

图13 SecOC测试用例展示

总结

在网络安全领域，越高的安全性要求，意味越复杂的安全机制，以及更高的系统资源消耗和性能要求。那么，分析和确认哪些数据需要被保护、网络安全等级如何定义也尤为重要。结合应用场景，考虑数据的敏感性、实时性等要求，才能选择合适的方案。不管是E2E更偏向数据完整性的校验，还是SecOC中更关注身份合法性的认证，包括SSL、TLS提供的保密性，都是可供选择的方案。

北汇信息专注于汽车电子测试、与众多OEM合作，在总线网络诊断测试开发相关领域积累了丰富的经验。本次为大家简单介绍了SecOC，后续将会为大家带来更多网络安全的相关内容。关于车内的通信、诊断刷写中各类网络安全相关的测试验证方案，欢迎垂询和沟通，共同探讨。

注：文中图片来源于AUTOSAR、Vector CANoe。

参考文献：
[1] AUTOSAR_SWS_SecureOnboardCommunication
[2] AUTOSAR_SWS_CryptoServiceManager
[3] NIST Special Publication 800-38B

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