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需求背景

在傳統(tǒng)的汽車電子結(jié)構(gòu)中，車內(nèi)的電控單元（ECU）數(shù)量和復雜性受到限制，通信帶寬也受到限制。因此，人們普遍認為車內(nèi)各個ECU之間的通信是可靠的。只要ECU節(jié)點接收到相應的消息，就會對其進行處理。然而，隨著汽車行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，汽車變得越來越智能化和互聯(lián)化，這種默認的車內(nèi)通信變得越來越不安全。如果在車輛的物理總線上添加一個新的節(jié)點，該節(jié)點發(fā)送虛假信號或篡改其他ECU發(fā)送的消息，例如加速、剎車和轉(zhuǎn)彎信號，而與之相關(guān)的動力控制ECU卻盲目接受這些消息，那么車輛可能會失去控制。因此，迫切需要開發(fā)一種安全高效的算法，用于驗證消息的真實性，確認消息發(fā)送方的合法性以及數(shù)據(jù)是否遭到篡改。在這種背景下，安全板載通信（Secure Onboard Communication，簡稱SecOC）機制應運而生。

SecOC實現(xiàn)原理

>什么是SecOC

SecOC是Security Onboard Communication 的簡稱，中文名稱叫做安全車載通信,是AUTOSAR從Classic Platform4.2開始新增的一個基礎(chǔ)模塊，主要的作用就是為汽車嵌入式網(wǎng)絡(luò)總線上的數(shù)據(jù)傳輸提供身份驗證和防止重放攻擊的功能。

>SecOC實現(xiàn)原理

SecOC 機制要求在協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (Protocol Data Unit, 簡稱 PDU) 的發(fā)送方和接收方的 ECU 都要實現(xiàn) SecOC 模塊。

在發(fā)送方，SecOC 模塊通過向待發(fā)送的協(xié)議原始 PDU 添加認證信息來創(chuàng)建安全PDU，認證信息包括新鮮度值(Freshness Value，簡稱 FV) 和 信 息 認 證 碼（Message Authentication Code，簡稱 MAC）。

FV 由新鮮度值管理模塊 (FVM) 獲得。FVM 分為 Master FVM( 由網(wǎng)關(guān)擔任 ) 和 Slave FVM( 由其它實現(xiàn) SecOC 機制的 ECU 擔任 )，前者會向后者發(fā)送新鮮度值同步消息來保證PDU 收發(fā)端 FV 的一致性，后者則向前者發(fā)送 FV 同步請求消息。

將 PDU 的數(shù)據(jù)標識符、原始 PDU 以及完整新鮮度值拼接起來，傳遞給認證算法產(chǎn)生 MAC 值。

接收方收到安全 PDU 后會通過MAC認證模塊對其新鮮性與完整性進行驗證，如果驗證成功，那么將原始的數(shù)據(jù)PDU上傳到上層應用的軟件模塊，如果驗證失敗，則直接丟棄。

TOSUN SecOC測試解決方案

該解決方案是基于SecOC方案實現(xiàn)車內(nèi)敏感信息的認證。

TOSUN SecOC系統(tǒng)是基于TOSUN同星自研核心軟件TSMaster和CAN工具實現(xiàn)，能夠涵蓋開發(fā)和生產(chǎn)過程中的測試需求。主要功能包含主節(jié)點同步報文解析，完整新鮮度值生成，計算MAC值，生成并發(fā)送安全報文、接收解析驗證安全報文和故障注入功能。

測試面板總體如下圖所示：

>同步報文接收

新鮮值管理模塊在整車身上一般由網(wǎng)關(guān)充當，負責發(fā)送同步報文，便于從節(jié)點更新新鮮值。同步報文的主要作用是保證安全PDU發(fā)送和接收端新鮮度值信息的一致性。

同步報文的行程計數(shù)器（Trip Counter）、重置計數(shù)器（Reset Counter）和MAC值（Authenticator）長度定義如下：

本解決方案采用AES128-CMAC標準算法和基于同步消息的復合counter新鮮度值管理方案，MAC值計算方式為CMAC-AES128（DataID/Payload/FV，CK）。

→ 圖示是TOSUN SecOC解決方案中同步報文接收的演示

第一部分顯示被測件（主節(jié)點）發(fā)送的同步報文和報文解析。Data ID由主節(jié)點（被測件/新鮮值管理模塊）決定。

第二部分為算法計算的MAC值，與接收的MAC值前兩位是一致的，則驗證成功返回0；否則驗證失敗返回1，并且錯誤數(shù)量+1。

>新鮮度值管理

→ 圖示是TOSUN SecOC解決方案中新鮮度值管理的演示

完整的新鮮度值包括（64bit）：行程計數(shù)器（Trip Counter）,重置計數(shù)器（Reset Counter）, 重置標志值（Reset Flag）和消息計數(shù)器（Message Counter）。

1) 行程計數(shù)器和重置計數(shù)器由同步報文決定

2) 消息計數(shù)器每發(fā)送一次安全報文自增1

3) 重置標志位為重置計數(shù)器最后2bit數(shù)據(jù)

從節(jié)點內(nèi)完整的新鮮度值由以上四個數(shù)據(jù)生成。

>安全報文發(fā)送

→ 圖示是TOSUN SecOC解決方案中安全報文發(fā)送的演示

第一部分設(shè)置2字節(jié)的Data ID和4字節(jié)的控制信號（十進制、十六進制輸入即可）。

第二部分顯示加密后的MAC值，截取的新鮮值、截取的MAC值和發(fā)送的安全報文（安全報文由4個字節(jié)控制信號、1個字節(jié)截取新鮮度值和3個字節(jié)截取MAC值組成）。

本解決方案的新鮮度值和MAC值截取的標準是在CAN協(xié)議的通信方式下，F(xiàn)V截取低位1字節(jié)，MAC截取高位3字節(jié)。

>安全報文接收

→ 圖示是TOSUN SecOC解決方案中安全報文接收的演示

第一部分設(shè)置接收端2字節(jié)的Data ID（安全報文發(fā)送和接收模塊的Data ID需一致，否則在安全報文接收端會驗證失�。�，顯示完整的安全報文。

第二部分顯示接收端的MAC驗證結(jié)果，驗證成功返回0，亮綠燈；驗證失敗返回1，亮紅燈，錯誤數(shù)量+1。

>故障注入測試

→ 圖示是TOSUN SecOC解決方案中故障注入測試的演示

在該面板中點擊任意類型故障注入按鈕可進行故障注入，可看到【接收端】的錯誤數(shù)量增加并亮紅燈。以檢測和評估系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，從而提高系統(tǒng)的質(zhì)量。

其中“模擬過去新鮮值發(fā)送”是指將新鮮值篡改成上一次發(fā)送 的新鮮值，“模擬未來新鮮值發(fā)送”同理。