一文读懂Autosar SecOC通讯
一、为什么用SecOC？
在车载网络中，CAN总线作为常用的通讯总线之一，其大部分数据是以明文方式广播发送且无认证接收。这种方案具有低成本、高性能的优势，但是随着汽车网联化，智能化的业务需要，数据安全性被大家越来越重视。传统的针对报文添加RollingCounter和Checksum的信息，实现的安全性十分有限，也容易被逆向破解，伪造报文控制车辆。
在AUTOSAR架构中对于网络安全的机制，有E2E(End to End)保护，另外还有SecOC(Secure Onboard Communication)，主要实现对车内敏感数据信息进行认证。
SecOC是在AUTOSAR软件包中添加的信息安全组件，该特性增加了加解密运算，密钥管理，新鲜值管理和分发等一系列功能和新要求。SecOC模块在PDU级别上为关键数据提供有效可行的身份验证机制。该规范主要使用带有消息认证码（MAC-Message Authentication Code）的对称认证方法。与不对称方法对比，他们使用更小的密钥实现了相同级别的安全性，并且可以在软件和硬件中紧凑高效地实现。但是，规范提供了两种必要的抽象级别，因此对称和非对称身份验证方法都可使用。由于非对称加密计算量大，目前主要都是采用对称加密。
（1）什么是对称加密与非对称加密？
1.对称加密算法
对称加密算法的加密和解密使用的密匙是相同的，也就是说如果通讯两方如果使用对称加密算法来加密通讯数据，那么通讯双方就需要都知道这个密匙，收到通讯数据后用这个密匙来解密数据。
2.非对称加密算法
非对称算法中用到的密匙有两个，分别是公匙和私匙，要求通讯双方都有自己的公匙和私匙，自己公匙加密的数据只有自己的私匙才能解开，自己私匙加密的数据也只有自己的公匙才能解开。公匙是可以公布在网络上的，相当于一个公共的电话簿，可以被其他人获取到的。
以一个通信的例子来说明非对称算法：
A 要和 B 进行通信，A在网络上获取到B的公匙，然后把数据用B的公匙进行加密发送给B，B收到了数据后就用自己的私匙进行解密数据，然后就可以看到数据内容了，即使在网络传输中加密数据被黑客截取，由于黑客没有对应的私匙，他也无法解密数据进行查看。
在通信中对称加密算法比较高效，但是需要告知对方加密钥匙，在实际运用时比较麻烦，所以一般都是用非对称加密算法来加密对称加密算法的钥匙，然后发送给对方，对方收到对称加密算法的钥匙后，后续通信就用对称加密算法来加密消息内容了
目前，使用使用非对称加密方法的数据签名还不能用于车载通讯，因为这样会显著增加计算量。
（2）MAC和新鲜度值的作用
MAC可以防止插入恶意消息，新鲜度值可以防止重放攻击。
其中MAC和新鲜度分别具有不同的作用，在SecOC标准中，AUTOSAR主要基于两种手段来实现数据的真实性和完整性的校验：基于MAC的身份验证和基于Freshness的防重放攻击。首先MAC（Message Authentication Code）是保障信息完整性和认证的密码学方法之一，其中CMAC（Cipher based MAC，CMAC一般用于对称加密，整车厂可在车辆下线刷写程序时静态分配密钥，也可选择使用云端服务器动态地给车辆分配密钥。）是车载总线加密认证常用方案。MAC的作用不是防止有效数据被泄露，而是为了保护数据不会被攻击方篡改，即完成数据来源的认证。如需保护通信数据不被攻击方监听，则报文的有效数据还需要进行额外的加密。
为了降低重复攻击的风险，则需要在Secured I-PDU中加入新鲜度值，Freshness Value是一个根据一定逻辑不断更新的数值，Freshness Value的更新方法多种多样，AUTOSAR 标准将计数器或基于时间的新鲜度值作为典型选项。具体使用何种和具体的加密方式，以及如何定义新鲜度度其实并不在标准之内，这就给OEM有了各自定制化方案的可选余地，因此OEM 在实施 SecOC 方案时需要定义和做好两个关键部分：新鲜度值管理和密钥管理。
（3）SecOC的通讯加密和认证过程
在发送节点，SecOC模块向待发送的Authentic I-PDU添加认证信息从而创建Secured I-PDU。认证信息包括Authenticator（例如CMAC）和可选的Freshness Value。无论Freshness Value是否包含在打包后的Secured I-PDU中，在生成Authenticator期间都会考虑Freshness Value。在接收节点，SecOC模块通过验证收到的Secured I-PDU中包含的Authenticator来判断Authentic I-PDU的来源。为了实现认证，接收节点除了需要Authentic I-PDU外还需要知道发送节点计算Authenticator时使用的Freshness Value。
新鲜度值收发双方验证机制：
SecOC是在AutoSAR软件包中添加的信息安全组件，增加了加解密运算、密钥管理、新鲜值管理和分发等一系列的功能和新要求。SecOC占用CAN报文的负载中的若干字节，在其中填入身份认证和新鲜值字段。
于是，假如搭载SecOC后，一次CAN通信就变成了如下过程：
- 报文的原始数据切片，加上秘钥，加上新鲜值，通过算法生成身份认证信息MAC。
- 然后再将身份认证信息的切片和新鲜值切片，插入CAN报文负载的指定字节中。其中新鲜值切片可以长度为0，但是身份认证信息的切片必须要存在。
- 接收方就是个逆过程了，校验失败就扔掉
详细的SecOC通讯过程如下：
二、安全报文介绍
安全报文的组成：
安全报文由一个头和真实的I-PDU，新鲜度值和用新鲜度值创建的认证器（eg.MAC）组成。由于SecOC机制需要占用总线带宽，因此一般适用于CANFD通讯网络。其中身份验证器（例如MAC）是指使用密钥、安全I-PDU的数据标识符ID、真实有效负载和新鲜度值生成的唯一身份验证数据字符串。消息头可用来指明安全PDU的长度。
数据结构如下：
Authentic I-PDU是需要被保护的数据；Authenticator为认证信息（通常使用消息认证码，即Message Authentication Code，简称MAC）；Secured I-PDU Header为可选用的报头；Freshness Value为可选用的新鲜度值。
而在实际使用中，新鲜度值和MAC可能会使用较多长度的数据来提高安全性，但这又会消耗大量的带宽等资源，所以常使用截取的方式做平衡处理。新鲜度值和MAC都按照完整的值来生成，但是在发送和认证的时候只会截取一部分。
新鲜度值管理：
在SecOC中，给出了多种新鲜度值管理方案：
- 基于Counter的递增，即包含了原有方案的机制
- 基于全局时间戳，源于时间戳的唯一性
- 基于同步的复合Counter
这里我们主要谈一下第三种方案。在此方案中，完整的新鲜度值包括同步计数器（Trip Counter）、重置计数器（Reset Counter）、消息计数器（Message Counter）和重置标志值（Reset Flag）。其中消息计数器又分为高值和低值，而真正在报文中发送的值只包含消息计数器的低值和重置标志值。
新鲜度值结构：
TripCounter和ResetCounter由主ECU发送，其他ECU接收，保持此值。MessageCounter每个ECU发送的一次I-PDU加1，当ResetCounter变化时，MessageCounter变为初始值0，到达最大值时保持最大值发送ResetFlag与ResetCounter完成同步，并保持ResetCounter的低位。
新鲜度等值变化规则
三、FVM新鲜值管理
采用一主多从通讯模式实现新鲜值同步报文收发，如下图所示。发送新鲜值同步报文的ECU为主节点，接收新鲜值同步报文
的ECU为从节点。在车载网络中主节点一般是Gateway。
同步报文的结构：
同步报文如上图所示，包含行程计数器和重置计数器以及授权码，授权码由SecOC计算追加，用于校验同步计数器“TripCnt |ResetCnt”值的完整性和真实性校验。
行程计数器：主节点每次上电、唤醒（可包含复位）和检测到新的通讯安全从节点加入网络通信时使发送的行程计数器 1，第二帧和第三帧保持不变，连发三帧，间隔50ms；之后按1s周期发送。发送属性根据项目需求可自定义。
重置计数器：同步报文每次发送第一帧时加1，第二帧第三帧保持不变。
同步报文发送时序图：
同步报文接收时序图：
四、SecOC与其他模块交互
（1） SecOC与PduR模块的关系
（2）FVM与SecOC的交互关系
FVM并不是标准的AUTOSAR组件，其作为复杂设备驱动，与SecOC交互图如下：
五、SecOC在Autosar标准中的实现
目标ECU应该提供以下AUTOSAR基础软件：
- System Service(含OS/EcuM/ComM)
- Communication(含Com/SecOC/PduR）
- 秘钥算法模块（CSM/CryIf/Crypto）
- Memory(含NVM/MemIf/Fee)
- Diagnostics(含DCM)
- MACL（含MCU）
- IO（含Port）
(1) FVM 接口
Std_ReturnType Fvm_SetTripResetSyncMsg(uint16 syncId,uint32 tripcnt, uint32 resetCnt);
Std_ReturnType Fvm_GetTripResetSyncMsg(uint16 syncId, uint32* tripCnt, uint32* resetCnt);
void Fvm_ResetTripCounter (void);
uint32 Fvm_ IncreaseTripCounter (uint16 syncId);
void Fvm_Init(const Fvm_RWFunc * func);
typedef Std_ReturnType (*Fvm_WriteTripFunc) (uint16 tripId,uint32 tripCounter);
typedef Std_ReturnType (*Fvm_ReadTripFunc) (uint16 tripId,uint32 *tripCounter);
uint32 Fvm_GetRxMsgCnt(uint16 freshnessValueID);
(2) SecOC适配接口
Std_ReturnType SecOC_GetRxFreshness (uint16 SecOCFreshnessValueID,const uint8* SecOCTruncatedFreshnessValue,uint32 SecOCTruncatedFreshnessValueLength,uint16 SecOCAuthVerifyAttempts,uint8* SecOCFreshnessValue,uint32* SecOCFreshnessValueLength);
Std_ReturnType SecOC_GetTxFreshness (uint16 SecOCFreshnessValueID,uint8* SecOCFreshnessValue,uint32* SecOCFreshnessValueLength);
Std_ReturnType SecOC_SPduTxConfirmation(uint16 SecOCFreshnessValueID); void Fvm_VerificationStatusCallout (SecOC_VerificationStatusType verificationStatus);
(3) 安全报文发送时序图
(4) 安全报文的接收时序图
(5) 新鲜值处理时序图
新鲜值构建的三种方式
- Freshness Value Based on Single Freshness Counter
- Freshness Value Based on Single Freshness Timestamp
- Freshness Value Based on Multiple Freshness Counters
