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作者：孫濤,曹學(xué)余,王鈺博 面對日益嚴峻的安全挑戰，為了確保數據在傳輸和存儲過(guò)程中的安全性，汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商以及模塊供應商需要能夠將應用程序加密和解密從而提升傳輸過(guò)程中的安全性。本文著(zhù)重討論一種將SREC文件進(jìn)行加密和解密并且能過(guò)通過(guò)LIN總線(xiàn)下載到目標ECU的方案，該方案同時(shí)支持從應用程序進(jìn)行跳轉的握手協(xié)議的定制。 現如今，汽車(chē)上集成了越來(lái)越多的電子控制單元(ECU)，一輛高端轎車(chē)上可能就集成有多達300個(gè)電子控制單元，它們分別完成空調、車(chē)燈以及引擎等模塊的控制。 這些電子控制單元通過(guò)以太網(wǎng)、CAN或者LIN等總線(xiàn)進(jìn)行連接，汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商在研發(fā)、生產(chǎn)以及售后維護等階段都需要將新的應用程序下載到ECU中，相比通過(guò)調試端口進(jìn)行下載，CAN、LIN等總線(xiàn)提供了這樣一種比較容易接入的通訊接口，使得下載更新應用程序更為便捷。 面對日益嚴峻的安全挑戰，為了確保數據在傳輸和存儲過(guò)程中的安全性，汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商以及模塊供應商需要能夠將應用程序加密和解密從而提升傳輸過(guò)程中的安全性。本文著(zhù)重討論一種將SREC文件進(jìn)行加密和解密并且能過(guò)通過(guò)LIN總線(xiàn)下載到目標ECU的方案，該方案同時(shí)支持從應用程序進(jìn)行跳轉的握手協(xié)議的定制。 AES 加密解密算法 AES算法也被稱(chēng)為Rijndael算法，是由NIST(美國國家標準技術(shù)研究所)于2001年發(fā)布的電子數據加密規范。 AES算法采用128位的明文分組，密鑰長(cháng)度支持128，192和256位。AES算法目前被世界范圍內廣泛使用以代替在1977年發(fā)布DES算法，AES算法是對稱(chēng)算法，也就是說(shuō)加密和解密數據的過(guò)程使用同樣的密鑰。 AES算法加密過(guò)程可以劃分為以下四個(gè)步驟： 密鑰擴展(Key Expansions)。 初始輪(Initial Round)，其中包含了AddRoundKey步驟。 重復輪(Rounds)，其中每一輪包括SubBytes, ShiftRows, MixColumns和AddRoundKey步驟。 SubBytes步驟 如圖1所示，該步驟根據原矩陣中的字節，將查找表(S-box)中對應的字節替換原字節。 
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分別向左平移一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)字節，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(guò)程可以理解為將上述加密過(guò)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參考設計 SREC文件的加密 根據用戶(hù)輸入的的密鑰或者選擇使用系統密鑰，AES加密引擎使用用戶(hù)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)加密引擎使用系統密鑰將用戶(hù)密鑰進(jìn)行加密生成加密的密鑰文件。在此過(guò)程中，系統密鑰對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，如圖5灰色部分所示。也就是說(shuō)，如果SREC文件是用系統密鑰加密的，用戶(hù)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(hù)必須要知道用于加密的密鑰，也就是說(shuō)該SREC文件不能是用系統密鑰加密的，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(hù)密鑰將SREC解密生成解密的SREC文件。在Bootloader下載過(guò)程中，AES解密引擎會(huì )使用系統密鑰對密鑰文件進(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(guò)程中，系統密鑰和解密的密鑰對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，如圖6所示。
圖6：SREC文件的解密流程。 Bootloader流程 初始化過(guò)程包括通道、波特率、模式等配置。根據是否配置了自定義通訊協(xié)議，如果沒(méi)有配置自定義通訊協(xié)議，默認ECU已經(jīng)處于Bootloader模式因而無(wú)需從應用程序跳轉，直接進(jìn)入應用程序下載部分。如果配置了自定義通訊協(xié)議，上位機則會(huì )依次發(fā)送最多三個(gè)自定義數據幀，握手成功后ECU從應用程序跳轉到Bootloader進(jìn)入應用程序下載部分。 在ECU進(jìn)入Bootloader模式之后，上位機如果檢測到SREC文件沒(méi)有被加密則開(kāi)始建立跟ECU的Bootloader握手連接。如果檢測到SREC文件被加密，上位機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(kāi)始建立跟ECU的Bootloader握手連接。握手成功之后，上位機會(huì )依次發(fā)送SREC文件的一行，直到整個(gè)SREC文件發(fā)送結束。 Bootloader下載完成之后，ECU跳轉到應用程序執行，整個(gè)流程如圖7所示。
圖7：Bootloader流程圖。 上位機界面 加密過(guò)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的系統密鑰，加密之后用戶(hù)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(hù)需要在圖9所示界面輸入SREC文件以及密鑰，解密之后用戶(hù)會(huì )得到原始的SREC文件。 應用程序跳轉協(xié)議定制 如圖10所示，用戶(hù)可以根據需要定制應用程序跳轉協(xié)議，通過(guò)使能三條LIN數據幀，用戶(hù)可以對數據幀的ID段、數據段等部分進(jìn)行配置。
圖11所示為應用程序主界面，在該界面上用戶(hù)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，當前發(fā)送幀的ID、方向、長(cháng)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(hù)就可以啟動(dòng)Bootloader了。 總結 本文介紹了一種支持AES加密的LIN協(xié)議Bootloader參考設計，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上位機升級ECU的流程設計，以及Bootloader界面設計。通過(guò)采用支持AES加密的LIN協(xié)議Bootloader，汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商以及模塊供應商可以使得整個(gè)SREC文件的傳輸過(guò)程更為安全，從而更好的保護相關(guān)的知識產(chǎn)權。 |
