CN106027260B - 基于密钥预分配的汽车ecu完整性验证和加密通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法，使用KPS为每个ECU提供唯一会话密钥，通过比对ECU固件哈希值进行身份验证，判断ECU是否被篡改，采用本地和远程相结合的两步验证机制，安全验证包括汽车出厂初始化、汽车启动自检。本发明采用远程与本地相结合，通信信道安全，ECU之间会话密钥互不相同，具有极高的安全性，预分配给ECU的是加密算法而不是密钥，大大减轻了密钥分配的难度，采用比对哈希值来检测ECU完整性，高效、低成本，核心数据都存放在ECU的安全模块上，能够抵抗物理攻击，更换原厂ECU和更新ECU固件后，仍然可以应用本安全机制来验证和加密通信。

Description

基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法
技术领域
本发明属于汽车智能化领域，尤其涉及一种基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法。
背景技术
汽车智能化的同时也带来各种危险。车上安装的各个智能系统是由车内ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)进行控制，每个智能系统都有自己的ECU，它们之间通过汽车内部总线进行通信，而现在应用最多的CAN(Control AreaNetwork，控制区域网络)总线在设计之初并没有考虑信息安全特性，发送/接收数据包没有身份验证和加密机制，所以数据是以明文传输，黑客只要获得CAN总线权限，就可以向ECU发送伪造数据包，修改ECU的行为，甚至可以篡改ECU固件(ECU的操作系统)，植入病毒。汽车的安全缺陷在于：
(1)控制命令以明文传输导致容易被截取、伪造；
(2)ECU固件很容易被篡改。应对这些安全威胁，本发明提出一种安全加密机制，能够同时解决上面两个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法，旨在解决现有汽车控制系统控制命令容易被截取伪造，ECU固件容易被篡改，存在安全缺陷的问题。
本发明是这样实现的，一种基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法使用KPS为每个ECU提供唯一会话密钥，通过比对ECU固件哈希值进行身份验证，判断ECU是否被篡改，采用本地和远程相结合的两步验证机制，安全验证包括汽车出厂初始化、汽车开机自检。
进一步，基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法的安全框架由管理员、主ECU、普通ECU组成；
TSP作为管理员，负责对汽车ECU进行远程验证，并分发KPS密钥算法给每个ECU，厂商预定一个高性能ECU作为主ECU，用它对其他ECU进行本地验证，通过比对ECU固件哈希值来判断其是否被篡改，通信过程用对称加密算法加密，密钥由KPS生成；
TSP保存着：各型号汽车拥有的固件版本列表及其对应的固件哈希值，存储为(type,version)和(version,H(ROM))；加密初始化验证ECU的密钥Ky；KPS密钥矩阵Aij生成器，为每辆车生成随机矩阵；
主ECU保存着:主ECU的序列号SM；TSP的序列号Sc；与TSP的共享密钥的Km；本汽车所有合法ECU固件哈希值列表；KPS密钥生成算法Fm(y)。
普通ECU保存着:ECU的序列号Sx；TSP的序列号Sc；与TSP的共享密钥Kx；合法的主ECU固件各版本哈希值列表(version,H(ROMm))；KPS密钥生成算法Fx(y)。
进一步，每个普通ECU的安全模块里存有序列号S、密钥K(ECU与TSP共同的密钥，不同的ECU和TSP共同密钥是不一样的。)、TSP的序列号，汽车出厂前，TSP将对ECU进行初始化，分发密钥算法，步骤如下：
(1)主或普通ECU发送序列号S给TSP，TSP查询数据库，取出对应密钥K(若查不到记录，则验证失败)，同时生成随机数R，用作会话密钥。
(2)TSP产生随机数R和自己的序列号Sc合并加密后的密文Ek(R||Sc)发给ECU。ECU解密后将Sc和预存的进行比对，若符合则通过验证。至此，通信双方身份验证完成。
(3)ECU将固件哈希值与车辆序列号Sv合并加密后的密文Ek(Sv||H(ROM))发送给TSP。
(4)TSP解密消息，将H(ROM)和预存进行比对，若符合则通过验证。之后，TSP计算KPS矩阵Aij，代入密钥算法F，将其与该型号车辆所有ECU固件哈希值列表合并加密后的密文ER(F(y)||H(ROM))发给ECU。ECU解密消息后保存至安全模块。至此，TSP对ECU初始化完成。
进一步，汽车开机自检时，主ECU对其他ECU进行本地验证，检测固件是否被篡改，验证步骤如下：
步骤一、主ECU发送质询信号：生成随机数r1、r2，广播r1给每个普通ECU；
步骤二、普通ECU回答质询，返回固件哈希值：普通ECU生成随机数r，计算固件哈希值，用FX(Sm)计算会话密钥，将合并加密后的密文(Sx||H(ROM)x||r1||r)发送给主ECU；
步骤三、主ECU检测固件是否被篡改，返回检测结果：主ECU用FM(Sx)计算解密密钥，将解密得到的H(ROM)x与预存比对，若符合则固件未被篡改，之后主ECU将r、r2合并加密后的密文(r2||r)发送给普通ECU，普通ECU解密消息，由返回r可得知验证通过。
进一步，经过初始化，ECU获得密钥生成算法Fx(y)，通过主ECU验证后，ECU获得随机数r2，每个通信消息都附上时间戳，最终在CAN总线上传送的密文为
本发明的有益效果如下：
(1)采用远程与本地相结合的验证方式，远程验证保护数据安全，本地验证提高验证速度。
(2)ECU与TSP、ECU之间的通信都是加密的。TSP对ECU初始化是在车厂，通信信道安全，ECU之间会话密钥互不相同，具有极高的安全性。
(3)预分配给ECU的是加密算法而不是密钥，大大减轻了密钥分配的难度。
(4)采用比对哈希值来检测ECU完整性，高效、低成本。
(5)核心数据都存放在ECU的安全模块上，能够抵抗物理攻击。
(6)更换原厂ECU和更新ECU固件后，仍然可以应用本安全机制来验证和加密通信。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信框架图。
图2、TSP对主ECU的验证和初始化操作流程图。
图3、TSP对主ECU的验证和初始化操作流程图。
图4、主ECU与普通ECU相互验证操作流程图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
请参阅图1：
一种基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法，使用KPS为每个ECU提供唯一会话密钥，通过比对ECU固件哈希值进行身份验证，判断ECU是否被篡改，采用本地和远程相结合的两步验证机制，安全验证包括汽车出厂初始化、汽车开机自检。
进一步，基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法的安全框架由管理员、主ECU、普通ECU组成；
TSP(Telematics Service Provider：汽车远程服务提供商)作为管理员，负责对汽车ECU进行远程验证，并分发KPS密钥算法给每个ECU，厂商预定一个高频ECU作为主ECU，用它对其他ECU进行本地验证，通过比对ECU固件哈希值来判断其是否被篡改，通信过程用对称加密算法(如AES)加密，密钥由KPS生成；
TSP保存着：各型号汽车拥有的固件版本列表及其对应的固件哈希值，存储为(type,version)和(version,H(ROM))；加密初始化验证ECU的密钥Ky；KPS密钥矩阵Aij生成器，为每辆车生成随机矩阵；
主ECU保存着:加密初始化验证的Km；本汽车所有合法ECU固件哈希值列表；KPS密钥生成算法Fm(y)。
表1各组件保存信息列表
下面的描述步骤中，E表示用加密算法加密，Ex(y)表示用密钥x对消息y进行加密，Ex(y||z)表示将消息y和z合并加密。
每个普通ECU的安全模块里存有序列号S、密钥K、TSP的序列号，汽车出厂前，TSP将对ECU进行初始化，分发密钥算法，步骤如下：
(1)ECU(主或普通)发送序列号S给TSP，TSP查询数据库，取出对应密钥K(若查不到记录，则验证失败)，同时生成随机数R，用作会话密钥。
(2)TSP产生随机数R和自己的序列号Sc合并加密后的密文Ek(R||Sc)发给ECU。ECU解密后将Sc和预存的进行比对，若符合则通过验证。至此，通信双方身份验证完成。
(3)ECU将固件哈希值与车辆序列号Sv合并加密后的密文Ek(Sv||H(ROM))发送给TSP。
(4)TSP解密消息，将H(ROM)和预存进行比对，若符合则通过验证。之后，TSP计算KPS矩阵Aij，代入密钥算法F，将其与该型号车辆所有ECU固件哈希值列表合并加密后的密文ER(F(y)||H(ROM))发给ECU。ECU解密消息后保存至安全模块。至此，TSP对ECU初始化完成。
TSP对主ECU和普通ECU初始化步骤相同，只是传递数据不同。
进一步，汽车开机自检时，主ECU对其他ECU进行本地验证，检测固件是否被篡改，验证步骤如下：
步骤一、主ECU发送质询信号：生成随机数r1、r2，广播r1给每个普通ECU；
步骤二、普通ECU回答质询，返回固件哈希值：普通ECU生成随机数r，计算固件哈希值，用FX(Sm)计算会话密钥，将合并加密后的密文(Sx||H(ROM)x||r1||r)发送给主ECU；
步骤三、主ECU检测固件是否被篡改，返回检测结果：主ECU用FM(Sx)计算解密密钥(由前文KPS的定义中，可知FX(Sm)＝FM(Sx))，将解密得到的H(ROM)x与预存比对，若符合则固件未被篡改，之后主ECU将r、r2合并加密后的密文(r2||r)发送给普通ECU，普通ECU解密消息，由返回r可得知验证通过。至此，主ECU对其他ECU的本地验证完成。
进一步，经过初始化，ECU获得密钥生成算法Fx(y)，通过主ECU验证后，ECU获得随机数r2，为了抵抗重放攻击，每个通信消息都附上时间戳，最终在CAN总线上传送的密文为
本发明的有益效果如下：
(1)采用远程与本地相结合的验证方式，远程验证保护数据安全，本地验证提高验证速度。
(2)ECU与TSP、ECU之间的通信都是加密的。TSP对ECU初始化是在车厂，通信信道安全，ECU之间会话密钥互不相同，具有极高的安全性。
(3)预分配给ECU的是加密算法而不是密钥，大大减轻了密钥分配的难度。
(4)采用比对哈希值来检测ECU完整性，高效、低成本。
(5)核心数据都存放在ECU的安全模块上，能够抵抗物理攻击。
(6)更换原厂ECU和更新ECU固件后，仍然可以应用本安全机制来验证和加密通信。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法，其特征在于，所述基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法使用KPS为每个ECU提供唯一会话密钥，通过比对ECU固件哈希值进行身份验证，判断ECU是否被篡改，采用本地和远程相结合的两步验证机制，安全验证包括汽车出厂初始化、汽车开机自检；
基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法的安全框架由管理员、主ECU、普通ECU组成；
TSP作为管理员，负责对汽车ECU进行远程验证，并分发KPS密钥算法给每个ECU，厂商预定一个高性能ECU作为主ECU，用它对其他ECU进行本地验证，通过比对ECU固件哈希值来判断其是否被篡改，通信过程用对称加密算法加密，密钥由KPS生成；
TSP保存着：各型号汽车拥有的固件版本列表及其对应的固件哈希值，存储为(type,version)和(version,H(ROM))；与主和普通ECU的共享密钥Ky；KPS密钥矩阵Aij生成器，为每辆车生成随机矩阵；
主ECU保存着:主ECU的序列号SM；TSP的序列号Sc；与TSP的共享密钥的Km；本汽车所有合法ECU固件哈希值列表；KPS密钥生成算法Fm(y)；
普通ECU保存着:ECU的序列号Sx；TSP的序列号Sc；与TSP的共享密钥Kx；合法的主ECU固件各版本哈希值列表(version,H(ROMm))；KPS密钥生成算法Fx(y)；
经过初始化，ECU获得密钥生成算法Fx(y)，通过主ECU验证后，ECU获得随机数r2，每个通信消息都附上时间戳，最终在CAN总线上传送的密文为
2.如权利要求1所述的基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法，其特征在于，每个新ECU的安全模块里存有序列号S、密钥K、TSP的序列号，汽车出厂前，TSP将对ECU进行初始化，分发密钥算法，步骤如下：
(1)主或普通ECU发送序列号S给TSP，TSP查询数据库，取出对应密钥K，同时生成随机数R，用作会话密钥；
(2)TSP产生随机数R和自己的序列号Sc合并加密后的密文Ek(R||Sc)发给ECU，ECU解密后将S c和预存的进行比对，若符合则通过验证,通信双方身份验证完成；
(3)ECU将固件哈希值与车辆序列号Sv合并加密后的密文Ek(Sv||H(ROM))发送给TSP；
(4)TSP解密消息，将H(ROM)和预存进行比对，若符合则通过验证；之后，TSP计算KPS矩阵Aij，代入密钥算法F，将其与车辆所有ECU固件哈希值列表合并加密后的密文ER(F(y)||H(ROM))发给ECU；ECU解密消息后保存至安全模块,TSP对ECU初始化完成。
3.如权利要求1所述的基于密钥预分配的汽车ECU完整性验证和加密通信方法，其特征在于，汽车开机自检时，主ECU对其他ECU进行本地验证，检测固件是否被篡改，验证步骤如下：
步骤一、主ECU发送质询信号：生成随机数r1、r2，广播r1给每个普通ECU；
步骤二、普通ECU回答质询，返回固件哈希值：普通ECU生成随机数r，计算固件哈希值，用FX(Sm)计算会话密钥，将合并加密后的密文发送给主ECU；
步骤三、主ECU检测固件是否被篡改，返回检测结果：主ECU用FM(Sx)计算解密密钥，将解密得到的H(ROM)x与预存比对，若符合则固件未被篡改，之后主ECU将r、r2合并加密后的密文发送给普通ECU，普通ECU解密消息，由返回r可得知验证通过。
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