為汽車(chē)系統設計面向未來(lái)的TCU-ECU安全解決方案

　　汽車(chē)系統互聯(lián)是一個(gè)令人期待的高速增長(cháng)的市場(chǎng)，同時(shí)也面臨一個(gè)難題亟待解決。如今數據安全變得日益重要，然而，汽車(chē)系統中有許多設備都存在安全隱患。例如，相對于現在大多數汽車(chē)電控單元(ECU)的8位、16位和32位處理器，現有的數據安全算法，ECC和RSA內存占用過(guò)高，運行速度太慢。此外，隨著(zhù)汽車(chē)的平均壽命超過(guò)11.6年，未來(lái)還必須考慮量子計算攻擊的風(fēng)險，因為量子計算攻擊可能會(huì )破解ECC和RSA秘鑰。

　　為解決這些問(wèn)題，SecureRF公司和意法半導體合作開(kāi)發(fā)出一項即使在最小的汽車(chē)處理器上仍能極速運行的面向未來(lái)的低功耗安全解決方案。最近，SecureRF的WalnutDSA(數字簽名算法DSA)和Ironwood KAP(密鑰協(xié)商協(xié)議KAP)，這兩種安全算法被移植到意法半導體的SPC58ECxx 32位微控制器平臺上。為更好地演示車(chē)載信息服務(wù)系統控制單元(TCU)與多個(gè)ECU的相互認證過(guò)程，兩家公司還合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)解決方案演示模型，并在2018年底特律汽車(chē)技術(shù)展會(huì )上展出了該模型。

　　SecureRF的群論密碼學(xué)(GTC)是數字簽名算法DSA和密鑰協(xié)商協(xié)議KAP的基礎，這雖然不是一個(gè)新的密碼學(xué)分支，但有助于解決物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)系統和其它互聯(lián)應用中相對較新的安全問(wèn)題，可以保護越來(lái)越多的資源受限的產(chǎn)品設備的安全。GTC密碼學(xué)有三大優(yōu)勢：運算速度快，即使在最小的設備上仍能快速運算，RAM / ROM占用低，能夠抵抗所有已知的量子攻擊。與其它加密方法相比，GTC的運算效率更高，所以更省電。SecureRF的GTC解決方案軟硬件均可實(shí)現。

　　在SPC58ECxx上，性能優(yōu)勢顯著(zhù)

　　為參展TU Automotive展會(huì )，雙方將數字簽名算法DSA和密鑰協(xié)商協(xié)議KAP的匯編語(yǔ)言算法移植到SPC58ECxx微控制器，以進(jìn)一步優(yōu)化這一高效加密方法的運算時(shí)間和能耗。

　　SPC58ECxx是意法半導體為車(chē)身、網(wǎng)絡(luò )、安全、通信連接等汽車(chē)應用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的32位通用微控制器，主要特性包括180MHz的e200z4d PowerPC雙核處理器、高達4MB的閃存和512KB的RAM、硬件安全模塊以及許多通信外設，例如，LIN、SPI、UART、以太網(wǎng)AVB、Flexray和CAN FD。SPC58ECxx是按照ISO 26262功能安全標準設計，安全等級達到ASIL-B級，適合安全關(guān)鍵的汽車(chē)應用。

　　該演示項目運行在意法半導體的SPC58ECxx 探索板上，與ECC驗證相比，GTC方法的性能優(yōu)勢明顯。下表在運算時(shí)間和ROM / RAM內存占用率方面對GTC解決方案與橢圓曲線(xiàn)密碼學(xué)(ECDSA + ECDH)方案進(jìn)行了比較，不難看出，橢圓曲線(xiàn)密碼學(xué)方案的運算時(shí)間長(cháng)達GTC方法的12.6倍。

　　GTC解決方案將讓意法半導體的客戶(hù)能夠為板載微控制器提供安全啟動(dòng)和安全固件更新等重要的安全功能，并使基于SPC58ECxx的TCU能夠與整個(gè)車(chē)輛的資源有限的ECU相互驗證，演示解決方案如下圖所示：

　　在互聯(lián)ECU上，優(yōu)勢更顯著(zhù)

　　保護ECU的微小處理器的安全對于設計人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，而這正是本解決方案最重要的優(yōu)勢之一?？焖僬J證是必備功能。其它安全方法對于許多汽車(chē)系統可能不實(shí)用，然而，GTC的方法適用于最小的處理器，并且依然能夠提供出色的性能。下面的屏幕截圖是GTC和ECC在8位處理器上的性能對比。

WalnutDSA/Ironwood KAP (綠線(xiàn))與ECDSA/ECDH (紅線(xiàn))認證RAM和ROM占用率比較

　　在上圖中，每個(gè)垂直尖峰表示完成一次驗證。ECDSA / ECDH完成一次驗證需要7.69秒，而SecureRF的WalnutDSA和Ironwood KAP只需68毫秒，是前者的九十分之一!這種速度優(yōu)勢以及由此產(chǎn)生的超低能耗和最小的RAM / ROM容量要求，使SecureRF方法非常適合資源受限的處理器。

　　SecureRF加密方法最適合完全隔離安全子系統和主處理器內核的SPC58ECxx硬件安全模塊(HSM)。SecureRF解決方案也非常適用于無(wú)HSM單元的微控制器，例如，SPC58ECxx的精簡(jiǎn)版SPC582Bxx。SPC582Bxx搭載運行頻率120MHz的單核e200z4d PowerPC處理器，配備高達1MB的閃存和192KB的RAM。但是，用戶(hù)必須開(kāi)發(fā)軟件安全解決方案，以彌補硬件安全功能的缺失。該解決方案確保在性能極佳的同時(shí)占用較少資源，不會(huì )對系統造成任何過(guò)大負荷。

　　由于設計生命周期長(cháng)，汽車(chē)系統需要能夠防御未來(lái)的量子計算的安全威脅。 SecureRF的方法是抗量子計算攻擊的加密方法，適用于當前已知的所有攻擊。

　　對于使用資源受限的處理器的汽車(chē)設計人員，我們的專(zhuān)家將提供初步的安全建議，并協(xié)助設計安全解決方案。了解更多信息，請聯(lián)系我們。