基于密钥预分配的汽车ecu完整性验证和加密通信方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
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
[0001] 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】
[0002] 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EOJ，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：
[0003] (1)控制命令以明文传输导致容易被截取、伪造；
[0004] (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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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E⑶、普通E⑶组成；
[0008] 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E⑶，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；
[0009] 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(R0M));加密初始化验证ECU的密钥K y;KPS密钥矩阵Aij生成 器，为每辆车生成随机矩阵；
[0010] 主ECU保存着:主ECU的序列号SM;TSP的序列号S。;与TSP的共享密钥的K m;本汽车所 有合法E⑶固件哈希值列表;KPS密钥生成算法Fm(y)。
[0011] 普通ECU保存着:E⑶的序列号Sx; TSP的序列号S。;与TSP的共享密钥Kx;合法的主 ECU固件各版本哈希值列表(代^1〇11，!1(1?(^));1^密钥生成算法?々）。
[0012] 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：
[0013] (1)主或普通E⑶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。
[0014] (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EdECU 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。
[0015] (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(R0M))发送给 TSP〇
[0016] (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 JCU解密消息后保存至安全模块。至此，TSP对E⑶初始化完成。
[0017] 进一步，汽车开机自检时，主E⑶对其他E⑶进行本地验证，检测固件是否被篡改， 验证步骤如下：
[0018] 步骤一、主E⑶发送质询信号:生成随机数n、r2,广播η给每个普通EOT;
[0019]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|H(R0M)x| |n| |r)发送给主 ECU;
[0020]步骤三、主E⑶检测固件是否被篡改，返回检测结果:主E⑶用Fm(Sx)计算解密密钥， 将解密得到的H(R0M)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|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。
[0021 ] 进一步，经过初始化，E⑶获得密钥生成算法Fx(y)，通过主E⑶验证后，E⑶获得随机 数?，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％，和
[0022] 本发明的有益效果如下：
[0023] (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。
[0024] (2)Ε⑶与TSP、E⑶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，E⑶之间会话密钥互不相同，具有极高的安全性。
[0025] (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。
[0026] (4)采用比对哈希值来检测E⑶完整性，高效、低成本。
[0027] (5)核心数据都存放在E⑶的安全模块上，能够抵抗物理攻击。
[0028] (6)更换原厂E⑶和更新E⑶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】
[0029]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。
[0030]图2、TSP对主E⑶的验证和初始化操作流程图。
[0031 ]图3、TSP对主E⑶的验证和初始化操作流程图。
[0032] 图4、主E⑶与普通E⑶相互验证操作流程图。
【具体实施方式】
[0033] 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。
[0034] 请参阅图1:
[0035] 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。
[0036]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E⑶、普通E⑶组成；
[0037] 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；
[0038] 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(R0M));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；
[0039]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)。
[0040]表1各组件保存信息列表
[0042]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。
[0043] 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：
[0044] (l)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。
[0045] (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EdECU 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。
[0046] (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(R0M))发送给 TSP〇
[0047] (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 JCU解密消息后保存至安全模块。至此，TSP对E⑶初始化完成。 [0048] TSP对主E⑶和普通E⑶初始化步骤相同，只是传递数据不同。
[0049] 进一步，汽车开机自检时，主E⑶对其他E⑶进行本地验证，检测固件是否被篡改， 验证步骤如下：
[0050] 步骤一、主E⑶发送质询信号:生成随机数η、r2，广播η给每个普通E⑶；
[0051 ]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|H(R0M)x| |n| |r)发送给主 ECU;
[0052] 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(R0M) 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…(r 21 | 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E⑶对其他E⑶的本地验证完成。
[0053] 进一步，经过初始化，E⑶获得密钥生成算法Fx(y)，通过主ECU验证后，E⑶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 r?.j| timestamp) 〇
[0054] 本发明的有益效果如下：
[0055] (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。
[0056] (2)E⑶与TSP、E⑶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，E⑶之间会话密钥互不相同，具有极高的安全性。
[0057] (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。
[0058] (4)采用比对哈希值来检测E⑶完整性，高效、低成本。
[0059] (5)核心数据都存放在ECU的安全模块上，能够抵抗物理攻击。
[0060] (6)更换原厂E⑶和更新E⑶固件后，仍然可以应用本安全机制来验证和加密通信。
[0061]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。
【主权项】
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。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，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E⑶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E⑶固件哈希值列表;KPS密钥生成算法Fm(y); 普通ECU保存着:E⑶的序列号Sx; TSP的序列号S。;与TSP的共享密钥Kx;合法的主ECU固 件各版本哈希值列表卜6^1〇11，!1(1?(^));1^密钥生成算法?心）。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，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E⑶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S。合并加密后的密文Ek(R| |S。)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，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| |!1(1^))发送给15?; (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) I IH(ROM))发给E⑶;E⑶解密消息后保存至安全模块，TSP对E⑶初始化完成。4. 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E⑶发送质询信号:生成随机数ri、r2，广播ri给每个普通E⑶； 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?)((5?)计算会话密钥，将合并加密后的密文￡^(。(5；||//0〇￥)』/、||/〇发送给主^^; 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 私1卜)发送给普通E⑶，普通E⑶解密消息，由返回r可得知验证通过。5. 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，经过初始化，E⑶获得密钥生成算法Fx(y)，通过主ECU验证后，E⑶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心.((η丨| -ieito??炉)。
【文档编号】H04L9/32GK106027260SQ201610316972
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】李飞, 覃周
【申请人】成都信息工程大学