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作者：孫濤,曹學(xué)余,王鈺博 面對(duì)日益嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)，為了確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲(chǔ)過程中的安全性，汽車生產(chǎn)廠商以及模塊供應(yīng)商需要能夠?qū)?yīng)用程序加密和解密從而提升傳輸過程中的安全性。本文著重討論一種將SREC文件進(jìn)行加密和解密并且能過通過LIN總線下載到目標(biāo)ECU的方案，該方案同時(shí)支持從應(yīng)用程序進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的握手協(xié)議的定制。 現(xiàn)如今，汽車上集成了越來越多的電子控制單元(ECU)，一輛高端轎車上可能就集成有多達(dá)300個(gè)電子控制單元，它們分別完成空調(diào)、車燈以及引擎等模塊的控制。 這些電子控制單元通過以太網(wǎng)、CAN或者LIN等總線進(jìn)行連接，汽車生產(chǎn)廠商在研發(fā)、生產(chǎn)以及售后維護(hù)等階段都需要將新的應(yīng)用程序下載到ECU中，相比通過調(diào)試端口進(jìn)行下載，CAN、LIN等總線提供了這樣一種比較容易接入的通訊接口，使得下載更新應(yīng)用程序更為便捷。 面對(duì)日益嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)，為了確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲(chǔ)過程中的安全性，汽車生產(chǎn)廠商以及模塊供應(yīng)商需要能夠?qū)?yīng)用程序加密和解密從而提升傳輸過程中的安全性。本文著重討論一種將SREC文件進(jìn)行加密和解密并且能過通過LIN總線下載到目標(biāo)ECU的方案，該方案同時(shí)支持從應(yīng)用程序進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的握手協(xié)議的定制。 AES 加密解密算法 AES算法也被稱為Rijndael算法，是由NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)于2001年發(fā)布的電子數(shù)據(jù)加密規(guī)范。 AES算法采用128位的明文分組，密鑰長(zhǎng)度支持128，192和256位。AES算法目前被世界范圍內(nèi)廣泛使用以代替在1977年發(fā)布DES算法，AES算法是對(duì)稱算法，也就是說加密和解密數(shù)據(jù)的過程使用同樣的密鑰。 AES算法加密過程可以劃分為以下四個(gè)步驟： 密鑰擴(kuò)展(Key Expansions)。 初始輪(Initial Round)，其中包含了AddRoundKey步驟。 重復(fù)輪(Rounds)，其中每一輪包括SubBytes, ShiftRows, MixColumns和AddRoundKey步驟。 SubBytes步驟 如圖1所示，該步驟根據(jù)原矩陣中的字節(jié)，將查找表(S-box)中對(duì)應(yīng)的字節(jié)替換原字節(jié)。 
ShiftRows步驟 如圖2所示，該步驟將原矩陣的第二、第三以及第四行字節(jié)分別向左平移一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)字節(jié)，得到新的矩陣。 MixColumns步驟 如圖3所示，該步驟將固定矩陣與原矩陣相乘，得到新的矩陣。
AddRoundKey步驟 如圖4所示，該步驟將原矩陣與輪密鑰進(jìn)行位異或操作，得到新的矩陣。 最終輪(Final Round)，其中包含了SubBytes, ShiftRows以及AddRoundKey步驟，但不包含MixColumns步驟。 AES算法解密過程可以理解為將上述加密過程逆向進(jìn)行，其中SubBytes, ShiftRows, MixColumns和AddRoundKey步驟都替換為其逆變換。 LIN Bootloader參考設(shè)計(jì) SREC文件的加密 根據(jù)用戶輸入的的密鑰或者選擇使用系統(tǒng)密鑰，AES加密引擎使用用戶密鑰將輸入的SREC進(jìn)行加密生成加密的SREC文件，與此同時(shí)加密引擎使用系統(tǒng)密鑰將用戶密鑰進(jìn)行加密生成加密的密鑰文件。在此過程中，系統(tǒng)密鑰對(duì)于用戶來說是不可見的，如圖5灰色部分所示。也就是說，如果SREC文件是用系統(tǒng)密鑰加密的，用戶無(wú)法解密該文件得到原始的SREC文件。3
圖5：SREC文件加密流程。 SREC文件的解密 如果希望解密SREC文件，用戶必須要知道用于加密的密鑰，也就是說該SREC文件不能是用系統(tǒng)密鑰加密的，否則就無(wú)法解密得到原始的SREC文件。AES解密引擎使用用戶密鑰將SREC解密生成解密的SREC文件。在Bootloader下載過程中，AES解密引擎會(huì)使用系統(tǒng)密鑰對(duì)密鑰文件進(jìn)行解密得到實(shí)際的密鑰，這一密鑰將會(huì)被用于解密SREC文件。在此過程中，系統(tǒng)密鑰和解密的密鑰對(duì)于用戶來說是不可見的，如圖6所示。
圖6：SREC文件的解密流程。 Bootloader流程 初始化過程包括通道、波特率、模式等配置。根據(jù)是否配置了自定義通訊協(xié)議，如果沒有配置自定義通訊協(xié)議，默認(rèn)ECU已經(jīng)處于Bootloader模式因而無(wú)需從應(yīng)用程序跳轉(zhuǎn)，直接進(jìn)入應(yīng)用程序下載部分。如果配置了自定義通訊協(xié)議，上位機(jī)則會(huì)依次發(fā)送最多三個(gè)自定義數(shù)據(jù)幀，握手成功后ECU從應(yīng)用程序跳轉(zhuǎn)到Bootloader進(jìn)入應(yīng)用程序下載部分。 在ECU進(jìn)入Bootloader模式之后，上位機(jī)如果檢測(cè)到SREC文件沒有被加密則開始建立跟ECU的Bootloader握手連接。如果檢測(cè)到SREC文件被加密，上位機(jī)首先解密密鑰文件得到原始密鑰，然后使用該原始密鑰解密SREC文件得到原始SREC文件，之后開始建立跟ECU的Bootloader握手連接。握手成功之后，上位機(jī)會(huì)依次發(fā)送SREC文件的一行，直到整個(gè)SREC文件發(fā)送結(jié)束。 Bootloader下載完成之后，ECU跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序執(zhí)行，整個(gè)流程如圖7所示。
圖7：Bootloader流程圖。 上位機(jī)界面 加密過程需要輸入原始的SREC文件，在圖8所示界面輸入密鑰或者使用默認(rèn)的系統(tǒng)密鑰，加密之后用戶會(huì)得到加密的SREC文件以及加密的密鑰文件。
如果希望解密SREC文件，用戶需要在圖9所示界面輸入SREC文件以及密鑰，解密之后用戶會(huì)得到原始的SREC文件。 應(yīng)用程序跳轉(zhuǎn)協(xié)議定制 如圖10所示，用戶可以根據(jù)需要定制應(yīng)用程序跳轉(zhuǎn)協(xié)議，通過使能三條LIN數(shù)據(jù)幀，用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)幀的ID段、數(shù)據(jù)段等部分進(jìn)行配置。
圖11所示為應(yīng)用程序主界面，在該界面上用戶可以完成LIN的基本配置，包括通道的初始化，全局幀列表的配置，接收幀濾波的配置，當(dāng)前發(fā)送幀的ID、方向、長(zhǎng)度等配置等。以及LIN Bootloader相關(guān)配置，包括密鑰文件輸入，SREC文件輸入等。在完成LIN的基本配置以及Bootloader相關(guān)配置之后，用戶就可以啟動(dòng)Bootloader了。 總結(jié) 本文介紹了一種支持AES加密的LIN協(xié)議Bootloader參考設(shè)計(jì)，其中包含了AES加密引擎將SREC文件以及密鑰加密，AES解密引擎將SREC文件已經(jīng)密鑰解密，Bootloader上位機(jī)升級(jí)ECU的流程設(shè)計(jì)，以及Bootloader界面設(shè)計(jì)。通過采用支持AES加密的LIN協(xié)議Bootloader，汽車生產(chǎn)廠商以及模塊供應(yīng)商可以使得整個(gè)SREC文件的傳輸過程更為安全，從而更好的保護(hù)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 |
