CN113613214A - 一种车内消息认证密钥管理方法及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
一种车内消息认证密钥管理方法,其在所有需要收发消息认证报文的电控单元配置主密钥和通信密钥两级密钥。主密钥用于生成通信密钥和保护通信密钥配置过程中报文的真实性、完整性;一个车型的所有车辆的需要收发消息认证报文的电控单元使用同一个主密钥,并在电控单元下线前安全写入,同时保存在服务器数据库中。通信密钥用于计算消息认证报文的消息认证码,在车辆下线前使用诊断工具进行配置;每个车辆按网络架构及功能域划分不同的通信分组,每个通信分组使用一个通信密钥;每个通信分组中的电控单元分为一个主节点和多个从节点,主节点负责生成通信密钥,并与从节点完成配对。本发明可以降低密钥管理的复杂度及成本,解决密钥生成时的身份认证问题,减小对启动时间的影响。
Description
技术领域
本发明涉及汽车车内总线通信技术领域,尤其涉及车内总线消息认证密钥管理技术。
背景技术
随着智能网联汽车高速发展,国内外已出现不少针对智能网联汽车的信息安全攻击事件。车载通信安全作为智能网联汽车信息安全的重要防线,已面临严峻挑战。
车载通信受限于其通信方式和电控单元(ECU)的硬件架构,通常采用明文传输,无信息安全措施,容易受到篡改、重放等攻击。
为了保障车载通信安全,目前行业内大都采用在电控单元部署车内消息认证技术手段,保障车载通信报文在传输过程中的真实性和完整性。
车内消息认证技术大多采用对称密码算法对报文中的有效值计算消息认证码(MAC),用于通信双方的身份认证和报文的完整性保护。其中,对称密码算法的密钥管理尤为重要。
目前对称密钥管理的常用方法是在服务器端建立密钥管理系统(KMS),用于生成和存储密钥。同时,将密钥同步至车辆产线或电控单元产线系统,通过专用设备将密钥注入到电控单元中。为了保障各车通信安全性,通常采用不同车辆采用不同的密钥,这种密钥管理方法很复杂且成本高。
专利文献CN110492995A公开了一种用于汽车电子控制单元通信的密钥交换方法,该方法将电子控制单元分为Master和Slave,在系统初始化时,Master生成密钥参数并安全存入Master和Slave中;车辆每次点火后,Master和Slave分别生成一个随机数,并依据密钥参数和随机数生成密钥;Master和Slave通信时,使用密钥对数据进行加密。该方法降低密钥管理的复杂度和成本,但在密钥参数生成时Master和Slave没有身份认证,可能导致非法电子控制单元接入车内并成功生成密钥参数;同时,因车辆每次点火后会生成密钥,会延长电子控制单元启动时间,从而影响汽车与启动时间有要求的功能。
发明内容
本发明提出一种车内消息认证密钥管理的方法,目的是降低密钥管理的复杂度及成本,解决密钥生成时的身份认证问题,减小对启动时间的影响。
本发明的技术方案如下:
一种车内消息认证密钥管理方法,其在所有需要收发消息认证报文的电控单元配置主密钥和通信密钥两级密钥。
所述主密钥用于生成通信密钥和保护通信密钥配置过程中报文的真实性、完整性;一个车型的所有车辆的需要收发消息认证报文的电控单元使用同一个主密钥,并在电控单元下线前安全写入,同时保存在服务器数据库中。
所述通信密钥用于计算消息认证报文的消息认证码,在车辆下线前使用诊断工具进行配置;每个车辆按网络架构及功能域划分不同的通信分组,每个通信分组使用一个通信密钥;每个通信分组中的电控单元分为一个主节点Master和多个从节点Slave,主节点负责生成通信密钥,并与从节点完成配对。
进一步地,在车辆下线前使用诊断工具配置所述通信密钥的步骤包括:
步骤1,使用诊断工具通过车辆诊断口连接各通信分组的主节点和从节点;
步骤2,使主节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥生成命令至主节点;主节点生成随机数,并使用主密钥MK加密随机数的密文生成通信密钥;
步骤3,使从节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥配对命令至从节点,从节点等待主节点发起密钥配对;
步骤4,使主节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥配对命令至主节点;主节点生成通信密钥配对报文发送给从节点,发起密钥配对;
步骤5,从节点接收到通信密钥配对报文后,使用主密钥校验通信密钥配对报文;
步骤6,校验通过后,使用主密钥加密报文中的随机数的密文生成通信密钥;从节点生成新随机数,再用通信密钥对新随机数计算消息认证码,并生成通信密钥配对响应报文发送给主节点;
步骤7,主节点收到通信密钥配对响应报文后,使用通信密钥进行校验;校验成功则通信密钥配对成功,否则通信密钥配对失败,并向诊断工具反馈结果。
步骤8,将通信分组中所有从节点都与主节点完成步骤3至步骤7的操作。
本发明还提供一种可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现以上所述的车内消息认证密钥管理方法的步骤。
采用以上技术方案,本发明具有以下有益效果:
1.本发明中所有需要收发消息认证报文的电控单元采用两级密钥管理:主密钥(MK,Master Key)管理和通信密钥(CK,Communication Key)配置。主密钥用于生成通信密钥和保护通信密钥配置过程中报文的真实性、完整性,通信密钥用于计算消息认证报文的消息认证码,可以有效降低车载通信消息认证的对称密钥管理复杂度和维护成本。
2.本发明通过在车辆下线前完成通信密钥的配置,不影响电控单元启动时间,可在启动后第一时间发出消息认证报文。同时在通信密钥配置过程中增加了消息认证码校验,提升了通信密钥配置的安全性。
附图说明
图1为通信密钥在车辆下线前的配置流程。
图2为通信密钥配对(响应)报文生成流程。
图3为通信密钥配对(响应)报文校验流程。
图4为通信密钥配对(响应)报文中消息认证码截取示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本方法中所有需要收发消息认证报文的电控单元采用两级密钥管理:主密钥(MK,Master Key)管理和通信密钥(CK,Communication Key)配置。主密钥和通信密钥保存在电控单元的安全存储区域中。其中,主密钥用于生成通信密钥和保护通信密钥配置过程中报文的真实性、完整性;通信密钥用于计算消息认证报文的消息认证码。
主密钥管理:一个车型的所有车辆的需要收发消息认证报文的电控单元使用同一个主密钥,并在电控单元下线前安全写入,同时保存在服务器数据库中。
通信密钥在车辆下线前使用诊断工具进行配置,每个车辆按网络架构及功能域划分不同的通信分组,每个通信分组使用一个通信密钥。每个通信分组中的电控单元分为一个主节点(Master)和多个从节点(Slave),主节点负责生成通信密钥,并与从节点完成配对。
参见图1,在车辆下线前使用诊断工具进行通信密钥配置包括以下步骤:
步骤1:使用诊断工具通过车辆诊断口连接各通信分组的主节点和从节点;
步骤2:使主节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥生成命令至主节点;主节点生成随机数R1,并使用主密钥MK1对随机数R1加密,依据加密的密文生成通信密钥CK1;
步骤3:使从节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥配对命令至从节点,从节点等待主节点发起密钥配对;
步骤4:使主节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥配对命令至主节点;主节点用主密钥MK1对随机数R1计算消息认证码MAC1,将MAC1按图4中的MAC完整的格式排列,即将MAC1的起始地址第一个字节作为最高有效字节,后续字节按地址先后依次从高字节到低字节排列,MAC1的结束地址所对应字节为最低有效字节。再从MAC1的最高有效字节起按高字节到低字节顺序截取四个字节作为MAC1截取 (标号15)。再将MAC1截取与随机数R1(标号11)生成通信密钥配对报文发送给从节点,发起密钥配对。
通信密钥配对报文生成流程如图2所示:将随机数(图2标号11)和密钥(图2标号12)输入MAC生成器,计算出MAC完整(图2标号14);将MAC完整(图2标号14)按图4进行截取,得到MAC截取(图2标号15),在将随机数(图2标号11)和MAC截取(图2标号15)按网络字节序组成通信密钥配对(响应)报文。
步骤5:从节点按图3所示对收到通信密钥配对报文进行校验,具体如下:
1、收到通信密钥配对(响应)报文(图3标号1)后,按报文格式解析出随机数(图3标号11)和MAC截取值(图3标号15);
2、把密钥(图3标号12)和随机数(图3标号11)输入MAC生成器(图3标号13),计算出MAC1’完整(图3标号16);
3、将MAC1’完整(图3标号16)按图4进行截取,得到MAC1’截取(图3标号17);
4、将计算得出的MAC1’截取(图3标号17)与从报文解析出的MAC截取值(图3标号15)进行比较,若相等,则校验成功;若失败,则校验失败。若MAC1截取和MAC1’截取相同,则跳至步骤6;若MAC1截取和MAC1’截取不同,则结束配对。
步骤6:从节点使用MK1对随机数R1加密,依据加密的密文生成通信密钥CK1。从节点生成随机数R2,再用通信密钥CK1对随机数R2计算消息认证码MAC2,然后按图2将随机数R2和MAC2生成通信密钥配对响应报文发送给主节点。
步骤7:主节点收到通信密钥配对响应报文后,使用通信密钥CK1按图3对报文进行校验;校验成功则通信密钥配对成功,否则通信密钥配对失败,并向诊断工具反馈结果。
步骤8:通信分组中所有从节点都需与主节点完成步骤3至步骤7的操作。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式,但是,本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明实施例的技术构思范围内,可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
Claims (6)
1.一种车内消息认证密钥管理方法,其特征在于,在所有需要收发消息认证报文的电控单元配置主密钥和通信密钥两级密钥;
所述主密钥用于生成通信密钥和保护通信密钥配置过程中报文的真实性、完整性;一个车型的所有车辆的需要收发消息认证报文的电控单元使用同一个主密钥,并在电控单元下线前安全写入,同时保存在服务器数据库中;
所述通信密钥用于计算消息认证报文的消息认证码,在车辆下线前使用诊断工具进行配置;每个车辆按网络架构及功能域划分不同的通信分组,每个通信分组使用一个通信密钥;每个通信分组中的电控单元分为一个主节点Master和多个从节点Slave,主节点负责生成通信密钥,并与从节点完成配对。
2.根据权利要求1所述的车内消息认证密钥管理方法,其特征在于,在车辆下线前使用诊断工具配置所述通信密钥的步骤包括:
步骤1,使用诊断工具通过车辆诊断口连接各通信分组的主节点和从节点;
步骤2,使主节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥生成命令至主节点;主节点生成随机数,并使用主密钥MK加密随机数的密文生成通信密钥;
步骤3,使从节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥配对命令至从节点,从节点等待主节点发起密钥配对;
步骤4,使主节点处于扩展会话和安全解锁状态,诊断工具发送通信密钥配对命令至主节点;主节点生成通信密钥配对报文发送给从节点,发起密钥配对;
步骤5,从节点接收到通信密钥配对报文后,使用主密钥校验通信密钥配对报文;
步骤6,校验通过后,使用主密钥加密报文中的随机数的密文生成通信密钥;从节点生成新随机数,再用通信密钥对新随机数计算消息认证码,并生成通信密钥配对响应报文发送给主节点;
步骤7,主节点收到通信密钥配对响应报文后,使用通信密钥进行校验;校验成功则通信密钥配对成功,否则通信密钥配对失败,并向诊断工具反馈结果;
步骤8,将通信分组中所有从节点都与主节点完成步骤3至步骤7的操作。
3.根据权利要求1所述的车内消息认证密钥管理方法,其特征在于,所述步骤4中,主节点用主密钥MK1对随机数R1计算消息认证码MAC1,将MAC1按MAC完整的格式排列,即将MAC1的起始地址第一个字节作为最高有效字节,后续字节按地址先后依次从高字节到低字节排列,MAC1的结束地址所对应字节为最低有效字节,再从MAC1的最高有效字节起按高字节到低字节顺序截取四个字节作为MAC1截取,再将MAC1截取与随机数R1生成通信密钥配对报文发送给从节点,发起密钥配对。
4.根据权利要求1所述的车内消息认证密钥管理方法,其特征在于,所述通信密钥配对报文生成流程:将随机数和密钥输入MAC生成器,计算出MAC完整;将MAC完整进行截取,得到MAC截取,在将随机数和MAC截取按网络字节序组成通信密钥配对(响应)报文。
5.根据权利要求1所述的车内消息认证密钥管理方法,其特征在于,所述步骤5包括,通信密钥配对报文校验流程包括:收到通信密钥配对(响应)报文后,按报文格式解析出随机数和MAC截取值;把密钥和随机数输入MAC生成器,计算出MAC1’完整;将MAC1’完整进行截取,得到MAC1’截取;4、将计算得出的MAC1’截取与从报文解析出的MAC截取值进行比较,若相等,则校验成功;若失败,则校验失败。
6.一种可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的车内消息认证密钥管理方法的步骤。
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