汽車安全性能亟待升級 嵌入式系統(tǒng)把關(guān)護(hù)航

　　1 摘要

　　汽車安全離不開安防，例如，只有通過安防措施保護(hù)制動ECU（電子控制單元）固件的完整性和真實性，才能保證汽車的制動安全，防止惡意修改固件等威脅。

　　安全需要安防的另一個示例是板載網(wǎng)絡(luò)，板載網(wǎng)絡(luò)將關(guān)鍵數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)街苿覧CU。只有通過安防措施防止板載網(wǎng)絡(luò)抵御修改數(shù)據(jù)、注入消息和拒絕服務(wù)等威脅，才能保證制動ECU及時收到正確的傳感器值。

　　人們希望在汽車中推出Android™或MeeGo™等開放的軟件平臺，從而出現(xiàn)了一個全新的安全和安防挑戰(zhàn)：為了允許通過按鈕與用戶進(jìn)行交互并為導(dǎo)航應(yīng)用從汽車提取當(dāng)前車速、剩余油量、行駛里程、位置等信息，軟件平臺及其應(yīng)用程序需要參與板載汽車通信。然而，需要保護(hù)汽車不出應(yīng)用故障。虛擬化以及運(yùn)行軟件平臺（包括沙箱內(nèi)的應(yīng)用程序）是在ECU內(nèi)實現(xiàn)保護(hù)的安防措施之一。

　　在上述情況下，安防措施完善了安全性。然而，在一些情況下，安防需求與安全需求相互矛盾。例如，要保護(hù)固件的保密性，在組裝了ECU后便以不可逆地方式禁用微控制器的調(diào)試端口。如果由于ECU發(fā)生故障而導(dǎo)致返修，那么被禁用的調(diào)試端口會導(dǎo)致無法在微控制器內(nèi)進(jìn)行根本原因分析。特別是無法分析是否有軟件、配置或硬件缺陷。新興的功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262要求調(diào)查現(xiàn)場返修，以便檢測系統(tǒng)故障，然后啟動召回。只有借助智能安防生命周期和安全調(diào)試等方法，才能滿足安全需求并在現(xiàn)場返修時分析根本原因。

　　本文介紹了先進(jìn)的微控制器的主要安全特性，以及如何應(yīng)用這些特性確保汽車安全：具體而言，本文涵蓋了安全啟動、組件保護(hù)和虛擬化。此外，本文也概述了對保證安全和處理現(xiàn)場返修的解決方案。

　　2 簡介

　　在過去的幾年里，汽車微控制器（MCU）的安全特性變得越來越重要。這種趨勢受到傳統(tǒng)的安全使用案例的推動，例如防盜裝置或組件保護(hù)，可防止汽車被盜。然而，車對車通信等新的使用案例及更高的安全性要求也增加了安全需求。對于這些用例，汽車行業(yè)開始制定安全硬件擴(kuò)展（SHE）功能規(guī)范等規(guī)范，或EVITA項目提出的安全架構(gòu)。

　　半導(dǎo)體公司開始在新一代微控制器中實施這些規(guī)范。這項工作的第一批成果之一便是Qorriva MPC564xB/C系列，該系列實現(xiàn)了一個易于使用的安全模塊，以滿足SHE規(guī)范要求。

　　i.MX系列等汽車處理器植根于消費電子市場，現(xiàn)在已經(jīng)打入汽車市場，以實現(xiàn)最先進(jìn)的駕駛員信息娛樂系統(tǒng)。這些處理器提供硬件安全，支持復(fù)雜的數(shù)字版權(quán)管理系統(tǒng)。

　　3 Qorivva MPC564xC/B系列

　　QorivvaMPC564xC/B系列32位微控制器面向安全的、新一代高端汽車車身控制模塊（BCM）和網(wǎng)關(guān)應(yīng)用。它提供高度集成，可以滿足OEM和一級客戶對增強(qiáng)功能集和增加內(nèi)存空間的日益增長的需求。

　　從安全性角度來看，MPC564xC/B包含一個加密服務(wù)引擎（CSE）。CSE是一組加密硬件特性，允許在ECU之間安全、可信任地傳輸信息。

　　MPC564xC/B系列還具有雙Power Architecture®內(nèi)核選項，提供近300DMIP的處理功能和低功耗待機(jī)/等待模式，幫助降低功耗，還具有廣泛的通信外設(shè)集，面向與BCM/網(wǎng)關(guān)模塊對接的廣泛的子系統(tǒng)。此外，這些可擴(kuò)展器件都由使能生態(tài)系統(tǒng)支持，該生態(tài)系統(tǒng)包括軟件驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)和配置代碼，以幫助您快速部署您的設(shè)計。圖1展示了Qorivva MPC564xC/B框圖。

　　圖1：Qorriva MPC564xC/B框圖

　　3.1 加密服務(wù)引擎（CSE）的安全特性

　　加密服務(wù)引擎（CSE）是集成在Qorriva MPC5464中的加密硬件模塊。CSE模塊實現(xiàn)安全硬件擴(kuò)展（SHE）功能規(guī)范中描述的安全功能。圖2展示了CSE模塊的框圖。

　　圖2：CSE框圖

　　CSE的設(shè)計包括一個帶有一組內(nèi)存映射寄存器的主機(jī)接口，這些寄存器被CPU用于發(fā)起加密命令。此外，還有一個系統(tǒng)總線接口允許CSE直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存。在這里，CSE模塊的行為與任意其他主機(jī)相似。通過主機(jī)接口，應(yīng)用程序可以配置和控制CSE，例如使CSE進(jìn)入低功耗模式，中斷完成的命令處理或暫停命令處理。狀態(tài)和錯誤寄存器將提供深入的系統(tǒng)信息。如需完整的CSE命令列表，請參考MPC564xC/B參考手冊［3］。兩個專用系統(tǒng)閃存塊被CSE用于加密密鑰存儲。其他主機(jī)無法從系統(tǒng)訪問這些模塊，因此這些模塊被稱為安全閃存。

　　CSE模塊的AES塊作為從機(jī)連接到CSE模塊的內(nèi)部總線。它處理加密/解密，并提供基于密文的消息認(rèn)證碼（CMAC）。CMAC功能用于實現(xiàn)安全啟動機(jī)制。

　　隨機(jī)數(shù)生成器包括一個偽隨機(jī)數(shù)生成器（PRNG）。PRNG的種子由真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（TRNG）生成。

　　CSE控制通過測試接口從外部訪問安全閃存，在生產(chǎn)過程中使用該功能，也用于現(xiàn)場返修驗證。當(dāng)Qorriva MPC564xC/B半導(dǎo)體從飛思卡爾工廠出廠時，測試接口是打開的，當(dāng)加密密鑰被編程到器件中后該接口將關(guān)閉。

　　質(zhì)量工程師可以使用SHE規(guī)范中描述的CMD_DEBUG函數(shù)重新打開測試接口。CMD_DEBUG函數(shù)將刪除安全存儲器中的所有數(shù)據(jù)，然后才會授權(quán)訪問測試接口。CMD_DEBUG函數(shù)的一個輸入?yún)?shù)為MASTER_KEY，這是一個單獨的預(yù)編程128位值，對于各個器件都不同。只有MASTER_KEY的知識載體才能成功地啟動CMD_DEBUG函數(shù)。

　　在附著了調(diào)試器后，可以單獨禁用加密密鑰。禁用密鑰意味著CSE可用該密鑰拒絕任何加密功能。

　　3.2 CSE支持的一些用例

　　CSE有助于實現(xiàn)下列用例或系統(tǒng)：

　　•防盜裝置

　　•組件保護(hù)

　　•安全閃存編程

　　•數(shù)據(jù)集保護(hù)（例如行駛里程）

　　•防止芯片調(diào)節(jié)

　　目前還有許多用例，將來會出現(xiàn)更多。以下段落詳細(xì)描述了兩個重要的使用案例。

　　3.2.1 安全啟動和信任鏈

　　當(dāng)MPC564xC/B重置后，CSE將在公共閃存中自動驗證陣列。該陣列的基地址和長度由開發(fā)人員指定。同一個地址條目被用作主內(nèi)核的第一個指令地址。

　　CSE在該陣列外計算CMAC值，并將其與存儲在安全內(nèi)存中的預(yù)先計算的值進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，CSE將提供加密服務(wù)或不提供。由于系統(tǒng)閃存較大－MPC564xC/B提供高達(dá)3MB的閃存－因此安全啟動過程可能需要一些時間。由于這個原因，開發(fā)人員可以設(shè)置一個信任鏈。在這種情況下，閃存驗證步驟被分為幾個子步驟。第一個閃存塊由CSE驗證，如前所述；對以下閃存塊的驗證必須由主內(nèi)核通過已經(jīng)過驗證的程序代碼觸發(fā)。

　　3.2.2 組件保護(hù)

　　組件保護(hù)功能防止從汽車拆除單個ECU，并在其他汽車中重復(fù)使用。通常盜取汽車的目的是為了將單個ECU重新銷售到零件市場。

　　OEM現(xiàn)在可以用一個安全組件保護(hù)系統(tǒng)解決幾個問題。首先，汽車制造商可以減少被盜汽車的數(shù)量；其次，他們可以防止對信譽(yù)和配置產(chǎn)生負(fù)面影響；第三，他們可以保護(hù)自己的售后業(yè)務(wù)。

　　基于CSE的組件保護(hù)系統(tǒng)似乎能夠達(dá)到上述目的。最有價值的ECU將包含一個帶有CSE模塊的微控制器?？梢酝ㄟ^設(shè)計分配一個或多個主ECU，也可以使用特定算法進(jìn)行動態(tài)分配。主ECU將輪詢組件保護(hù)系統(tǒng)的所有其他ECU，并要求一個特定答案（例如加密的唯一ID）。在這種情況下，只有帶有正確的保密密鑰的ECU才能發(fā)回一個有效的響應(yīng)。此外，主ECU可以使用特定汽車內(nèi)組裝的所有ECU數(shù)據(jù)庫交叉校驗收到的ID。

　　在使用汽車時可定期進(jìn)行組件檢查。如果主節(jié)點在汽車網(wǎng)絡(luò)中檢測到未經(jīng)授權(quán)的ECU，它能夠作出反應(yīng)。