汽车软件刷新——当前安全访问策略的缺陷及改进方案

    今天联红问我对以下的文章有什么看法，各位可以看一下。这是他的公众号：“南同学写字的地方”，

CSDN博客：https://blog.csdn.net/weixin_40137252/article/details/87881315 

一、背景：

在汽车ECU软件中，如果需要依靠汽车总线（如CAN）刷新CPU里面的程序时，必须要通过安全访问，从而防止非法刷新操作危及车辆安全（例如，黑客攻击）。在车联网以前，车辆总线是一个自封闭的网络，黑客通过远程电脑控制汽车在物理上是不可能的，除非亲自在汽车里操作或者首先在汽车的OBD接口上安装无线设备再远程操控。随着车联网时代的到来，越来越多的车辆会选择远程云端刷新程序，实现快捷修复程序Bug，但这也为黑客远程攻击车辆程序提供了渠道。

二、ISO4229安全访问规范分析：

对于传统汽车，虽然黑客远程攻击汽车软件的可能性很低，但是ISO4229规范也多少考虑了恶意刷新软件的可能性。因此在安全访问方面还是考虑比较多的：

1.算法固化在ECU和上位机程序里，不通过总线传输。

2.每个Seed只能使用一次，如果Key计算错误。重新访问返回新的Seed,防止黑客对一个Seed玻璃破解。

3.连续2次安全访问尝试失败后启动读Seed延时机制，比正常2ms响应一次的时间被延长5000倍，大大缩短黑客随机碰撞Seed-Key的次数。

三、ISO4229安全访问漏洞分析：

1.Seed-Key是可重复使用的。虽然黑客可能获取不到Seed-Key的算法，但是可以获取到有限的Seed-Key的数对。这个在车辆开发阶段，整车厂或供应商测试时，每次刷新时有效的Seed-Key都在CAN网络上保留着。虽然测试人员也不知道算法，但不能防止有人监听网络报文提取每次安全访问Seed-Key的样本，为破解使用。

2. ISO4229只规定Seed生成方法是伪随机的，但是没有提出测试标准。有的软件工程师会用简单的Seed生成算法，如图示，Seed是Cnt取样值的函数，Seed=F（Cnt取样值），最简单的函数就是Seed=Cnt取样值。

由于取样时刻是任意的（实际是OS中取样任务周期的整数倍+OS调度波动值，例如2ms*N+△T），取样出的CNT是随机的。随便测几下没问题，但是整体上统计就显示出规律性。如下图是对一个120MHz的16位定时器在一个2ms任务的统计结果。显然，1000ms内看起来是随机的，但是从2000ms开始就体现出宏观的规律性。

有的程序员会引入非线性计算（如下图Seed=Cnt * Cnt+offset，或更复杂的）让统计结果看起来均匀分布。但是会使虚假Seed数量增多（即有的Seed永远取不到），减小了Seed的样本空间，也就减少了黑客随机碰撞攻击的次数。

3. ISO4229只要求解锁成功后Seed就变成0但是没有限制解锁成功前可以获取Seed的次数，很多整车厂的Spec也没有该要求。这意味着ECU上电后只要上位机不请求解锁，就可以无限次的获取Seed。这样黑客用上位机以固定周期（如2ms）一直取读Seed，就可以获取Seed的统计特性，从而破解出Seed的生成算法。根据第1条风险，只要知道一个Seed-Key值，让ECU在期望的采样时刻做风险2的碰撞试验。通过有限次试验，就能获取期望的Seed，安全访问就被攻破了。

根据上述分析，传统安全访问风险的根源在于Seed可以重复出现。

四、车联网条件下ISO4229安全访问的基本条件：

1. Seed的产生依然是伪随机数，这个和传统车一样不可改变，因为给车上安装真随机数发生器成本太大。

2. Seed的产生是不可重复的。

3.一个驾驶循环内Seed的产生次数是有限（如3次）。且ECU上电后10秒内不返回Seed，防止黑客连续获取Seed做随机碰撞攻击。

五、Seed的生成方案:

根据第四节描述，可以参考网上银行的OTP动态口令，用HMAC算法生成不可重复的Seed。方案如下：

ECU上电后EEPROM初始化完成，读出上次Seed计算的次数N，然后用公式Seed[i]=HMAC(key,N+i)连续计算三个Seed[0,1,2]存储在RAM里。

此处key是一个任意固定值的参数。

ECU上电超过10S后，上位机有一次读Seed请求，就返回一个Seed[i]，同时立即存储N=N+1到EEPROM。一个驾驶循环上位机最多只能获取3个Seed。

测试阶段限制N的范围为[0,Nt)，量产出厂时N的初始值写Nt，保证测试阶段的Seed在量产车里不会出现。

六、综合Seed-key安全访问方案

上面方案只保证了Seed的不可重复。如果只为了满足这一条，HMAC算法中的参数key都没有用，完全可以初始化为0，这显然浪费了这个算法的价值。

如果把公式Seed=HMAC(key,N)中的key作为整车安全访问的秘钥，只要ECU里的key和上位机的key’完全一样，用相同的HMAC算法对N做数字签名就可以获得一样的口令，从而安全访问通过。因为HMAC是Hash散列函数，不可能根据已知口令推算出key。在EEPROM作用下，可以保证N连续增长不重复，从而不会产生重复的口令。虽然N是可预测的，但是黑客在不知道key的情况下，不可能对N做出正确的签名。

ECU里的key和HMAC算法完全分离，只有在整车下线时由工厂在安全的网络环境下写入，与测试阶段的key完全不一样。这样key的保密性和访问过程的安全性就完全掌握在整车厂手里。

七，小结：

传统安全访问策略的缺点：

整车厂要自己设计算法或委托供应商提供算法，且算法都不一样，使得刷新工具的兼容性差。同时，软件开发阶段底层软件工程师要考虑不同客户项目的差异，这种低效率重复工作量比较大。

有的整车厂的安全访问策略都是自己制定的，出于保密又不能公开被认证机构检验，其安全性不一定可靠。

有的整车厂的安全访问策略算法与秘钥是一体的，算法升级困难。

一个厂家的同一车型或很多车型都共用一个算法，风险的范围很大。

基于HMAC算法安全访问策略的优点：

由于采用OTP技术，Seed永不重复，使针对一个Seed的暴力破解也无效。整车厂只要保管好自己的秘钥就可以保证安全。

由于算法是统一的，避免低效率重复性开发及测试安全访问算法，软件成本大大降低。

由于算法是统一的，刷新工具可以兼容所有采样HMAC算法的车辆。

由于key可以灵活配置，就能实现一个秘钥配一台车，大大缩小风险范围。

如果不是在出厂时写入key, 而是在4S店售出时写入key，那么掌握软件刷新的权限就流车主自己手里，后续整车厂想升级程序就要问车主请求key，这种出让安全访问权限的技术可以成为一个吸引消费者的卖点。