一、背景：

在汽車(chē)ECU軟件中，如果需要依靠汽車(chē)總線（如CAN）刷新CPU里面的程序時(shí)，必須要通過(guò)安全訪問(wèn)，從而防止非法刷新操作危及車(chē)輛安全（例如，黑客攻擊）。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)以前，車(chē)輛總線是一個(gè)自封閉的網(wǎng)絡(luò)，黑客通過(guò)遠(yuǎn)程電腦控制汽車(chē)在物理上是不可能的，除非親自在汽車(chē)?yán)锊僮骰蛘呤紫仍谄?chē)的OBD接口上安裝無(wú)線設(shè)備再遠(yuǎn)程操控。隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的車(chē)輛會(huì)選擇遠(yuǎn)程云端刷新程序，實(shí)現(xiàn)快捷修復(fù)程序Bug，但這也為黑客遠(yuǎn)程攻擊車(chē)輛程序提供了渠道。

二、ISO4229安全訪問(wèn)規(guī)范分析：

對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)，雖然黑客遠(yuǎn)程攻擊汽車(chē)軟件的可能性很低，但是ISO4229規(guī)范也多少考慮了惡意刷新軟件的可能性。因此在安全訪問(wèn)方面還是考慮比較多的：

1.算法固化在ECU和上位機(jī)程序里，不通過(guò)總線傳輸。

2.每個(gè)Seed只能使用一次，如果Key計(jì)算錯(cuò)誤。重新訪問(wèn)返回新的Seed,防止黑客對(duì)一個(gè)Seed玻璃破解。

3.連續(xù)2次安全訪問(wèn)嘗試失敗后啟動(dòng)讀Seed延時(shí)機(jī)制，比正常2ms響應(yīng)一次的時(shí)間被延長(zhǎng)5000倍，大大縮短黑客隨機(jī)碰撞Seed-Key的次數(shù)。

三、ISO4229安全訪問(wèn)漏洞分析：

1.Seed-Key是可重復(fù)使用的。雖然黑客可能獲取不到Seed-Key的算法，但是可以獲取到有限的Seed-Key的數(shù)對(duì)。這個(gè)在車(chē)輛開(kāi)發(fā)階段，整車(chē)廠或供應(yīng)商測(cè)試時(shí)，每次刷新時(shí)有效的Seed-Key都在CAN網(wǎng)絡(luò)上保留著。雖然測(cè)試人員也不知道算法，但不能防止有人監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文提取每次安全訪問(wèn)Seed-Key的樣本，為破解使用。

2. ISO4229只規(guī)定Seed生成方法是偽隨機(jī)的，但是沒(méi)有提出測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。有的軟件工程師會(huì)用簡(jiǎn)單的Seed生成算法，如圖示，Seed是Cnt取樣值的函數(shù)，Seed=F（Cnt取樣值），最簡(jiǎn)單的函數(shù)就是Seed=Cnt取樣值。

由于取樣時(shí)刻是任意的（實(shí)際是OS中取樣任務(wù)周期的整數(shù)倍+OS調(diào)度波動(dòng)值，例如2ms*N+△T），取樣出的CNT是隨機(jī)的。隨便測(cè)幾下沒(méi)問(wèn)題，但是整體上統(tǒng)計(jì)就顯示出規(guī)律性。如下圖是對(duì)一個(gè)120MHz的16位定時(shí)器在一個(gè)2ms任務(wù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。顯然，1000ms內(nèi)看起來(lái)是隨機(jī)的，但是從2000ms開(kāi)始就體現(xiàn)出宏觀的規(guī)律性。

有的程序員會(huì)引入非線性計(jì)算（如下圖Seed=Cnt * Cnt+offset，或更復(fù)雜的）讓統(tǒng)計(jì)結(jié)果看起來(lái)均勻分布。但是會(huì)使虛假Seed數(shù)量增多（即有的Seed永遠(yuǎn)取不到），減小了Seed的樣本空間，也就減少了黑客隨機(jī)碰撞攻擊的次數(shù)。

3. ISO4229只要求解鎖成功后Seed就變成0但是沒(méi)有限制解鎖成功前可以獲取Seed的次數(shù)，很多整車(chē)廠的Spec也沒(méi)有該要求。這意味著ECU上電后只要上位機(jī)不請(qǐng)求解鎖，就可以無(wú)限次的獲取Seed。這樣黑客用上位機(jī)以固定周期（如2ms）一直取讀Seed，就可以獲取Seed的統(tǒng)計(jì)特性，從而破解出Seed的生成算法。根據(jù)第1條風(fēng)險(xiǎn)，只要知道一個(gè)Seed-Key值，讓ECU在期望的采樣時(shí)刻做風(fēng)險(xiǎn)2的碰撞試驗(yàn)。通過(guò)有限次試驗(yàn)，就能獲取期望的Seed，安全訪問(wèn)就被攻破了。

根據(jù)上述分析，傳統(tǒng)安全訪問(wèn)風(fēng)險(xiǎn)的根源在于Seed可以重復(fù)出現(xiàn)。

四、車(chē)聯(lián)網(wǎng)條件下ISO4229安全訪問(wèn)的基本條件：

1. Seed的產(chǎn)生依然是偽隨機(jī)數(shù)，這個(gè)和傳統(tǒng)車(chē)一樣不可改變，因?yàn)榻o車(chē)上安裝真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器成本太大。

2. Seed的產(chǎn)生是不可重復(fù)的。

3.一個(gè)駕駛循環(huán)內(nèi)Seed的產(chǎn)生次數(shù)是有限（如3次）。且ECU上電后10秒內(nèi)不返回Seed，防止黑客連續(xù)獲取Seed做隨機(jī)碰撞攻擊。

五、Seed的生成方案:

根據(jù)第四節(jié)描述，可以參考網(wǎng)上銀行的OTP動(dòng)態(tài)口令，用HMAC算法生成不可重復(fù)的Seed。方案如下：

ECU上電后EEPROM初始化完成，讀出上次Seed計(jì)算的次數(shù)N，然后用公式Seed[i]=HMAC(key,N+i)連續(xù)計(jì)算三個(gè)Seed[0,1,2]存儲(chǔ)在RAM里。

此處key是一個(gè)任意固定值的參數(shù)。

ECU上電超過(guò)10S后，上位機(jī)有一次讀Seed請(qǐng)求，就返回一個(gè)Seed[i]，同時(shí)立即存儲(chǔ)N=N+1到EEPROM。一個(gè)駕駛循環(huán)上位機(jī)最多只能獲取3個(gè)Seed。

測(cè)試階段限制N的范圍為[0,Nt)，量產(chǎn)出廠時(shí)N的初始值寫(xiě)Nt，保證測(cè)試階段的Seed在量產(chǎn)車(chē)?yán)锊粫?huì)出現(xiàn)。

六、綜合Seed-key安全訪問(wèn)方案

上面方案只保證了Seed的不可重復(fù)。如果只為了滿足這一條，HMAC算法中的參數(shù)key都沒(méi)有用，完全可以初始化為0，這顯然浪費(fèi)了這個(gè)算法的價(jià)值。

如果把公式Seed=HMAC(key,N)中的key作為整車(chē)安全訪問(wèn)的秘鑰，只要ECU里的key和上位機(jī)的key’完全一樣，用相同的HMAC算法對(duì)N做數(shù)字簽名就可以獲得一樣的口令，從而安全訪問(wèn)通過(guò)。因?yàn)镠MAC是Hash散列函數(shù)，不可能根據(jù)已知口令推算出key。在EEPROM作用下，可以保證N連續(xù)增長(zhǎng)不重復(fù)，從而不會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的口令。雖然N是可預(yù)測(cè)的，但是黑客在不知道key的情況下，不可能對(duì)N做出正確的簽名。

ECU里的key和HMAC算法完全分離，只有在整車(chē)下線時(shí)由工廠在安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下寫(xiě)入，與測(cè)試階段的key完全不一樣。這樣key的保密性和訪問(wèn)過(guò)程的安全性就完全掌握在整車(chē)廠手里。

七，小結(jié)：

傳統(tǒng)安全訪問(wèn)策略的缺點(diǎn)：

整車(chē)廠要自己設(shè)計(jì)算法或委托供應(yīng)商提供算法，且算法都不一樣，使得刷新工具的兼容性差。同時(shí)，軟件開(kāi)發(fā)階段底層軟件工程師要考慮不同客戶項(xiàng)目的差異，這種低效率重復(fù)工作量比較大。

有的整車(chē)廠的安全訪問(wèn)策略都是自己制定的，出于保密又不能公開(kāi)被認(rèn)證機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)，其安全性不一定可靠。

有的整車(chē)廠的安全訪問(wèn)策略算法與秘鑰是一體的，算法升級(jí)困難。

一個(gè)廠家的同一車(chē)型或很多車(chē)型都共用一個(gè)算法，風(fēng)險(xiǎn)的范圍很大。

基于HMAC算法安全訪問(wèn)策略的優(yōu)點(diǎn)：

由于采用OTP技術(shù)，Seed永不重復(fù)，使針對(duì)一個(gè)Seed的暴力破解也無(wú)效。整車(chē)廠只要保管好自己的秘鑰就可以保證安全。

由于算法是統(tǒng)一的，避免低效率重復(fù)性開(kāi)發(fā)及測(cè)試安全訪問(wèn)算法，軟件成本大大降低。

由于算法是統(tǒng)一的，刷新工具可以兼容所有采樣HMAC算法的車(chē)輛。

由于key可以靈活配置，就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)秘鑰配一臺(tái)車(chē)，大大縮小風(fēng)險(xiǎn)范圍。

如果不是在出廠時(shí)寫(xiě)入key, 而是在4S店售出時(shí)寫(xiě)入key，那么掌握軟件刷新的權(quán)限就流車(chē)主自己手里，后續(xù)整車(chē)廠想升級(jí)程序就要問(wèn)車(chē)主請(qǐng)求key，這種出讓安全訪問(wèn)權(quán)限的技術(shù)可以成為一個(gè)吸引消費(fèi)者的賣(mài)點(diǎn)。