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作者：孫濤,曹學余,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程中的安全性，汽車生產廠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程中的安全性。本文著重討論一種將SREC文件進行加密和解密并且能過通過LIN總線下載到目標ECU的方案，該方案同時支持從應用程序進行跳轉的握手協議的定制。 現如今，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300個電子控制單元，它們分別完成空調、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、CAN或者LIN等總線進行連接，汽車生產廠商在研發、生產以及售后維護等階段都需要將新的應用程序下載到ECU中，相比通過調試端口進行下載，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程中的安全性，汽車生產廠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程中的安全性。本文著重討論一種將SREC文件進行加密和解密并且能過通過LIN總線下載到目標ECU的方案，該方案同時支持從應用程序進行跳轉的握手協議的定制。 AES 加密解密算法 AES算法也被稱為Rijndael算法，是由NIST(美國國家標準技術研究所)于2001年發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年發布DES算法，AES算法是對稱算法，也就是說加密和解密數據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、兩個和三個字節，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加密引擎使用用戶密鑰將輸入的SREC進行加密生成加密的SREC文件，與此同時加密引擎使用系統密鑰將用戶密鑰進行加密生成加密的密鑰文件。在此過程中，系統密鑰對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文件是用系統密鑰加密的，用戶無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文件不能是用系統密鑰加密的，否則就無法解密得到原始的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解密引擎會使用系統密鑰對密鑰文件進行解密得到實際的密鑰，這一密鑰將會被用于解密SREC文件。在此過程中，系統密鑰和解密的密鑰對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。根據是否配置了自定義通訊協議，如果沒有配置自定義通訊協議，默認ECU已經處于Bootloader模式因而無需從應用程序跳轉，直接進入應用程序下載部分。如果配置了自定義通訊協議，上位機則會依次發送最多三個自定義數據幀，握手成功后ECU從應用程序跳轉到Bootloader進入應用程序下載部分。 在ECU進入Bootloader模式之后，上位機如果檢測到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，之后開始建立跟ECU的Bootloader握手連接。握手成功之后，上位機會依次發送SREC文件的一行，直到整個SREC文件發送結束。 Bootloader下載完成之后，ECU跳轉到應用程序執行，整個流程如圖7所示。
圖7：Bootloader流程圖。 上位機界面 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的系統密鑰，加密之后用戶會得到加密的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，解密之后用戶會得到原始的SREC文件。 應用程序跳轉協議定制 如圖10所示，用戶可以根據需要定制應用程序跳轉協議，通過使能三條LIN數據幀，用戶可以對數據幀的ID段、數據段等部分進行配置。
圖11所示為應用程序主界面，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，當前發送幀的ID、方向、長度等配置等。以及LIN Bootloader相關配置，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相關配置之后，用戶就可以啟動Bootloader了。 總結 本文介紹了一種支持AES加密的LIN協議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。通過采用支持AES加密的LIN協議Bootloader，汽車生產廠商以及模塊供應商可以使得整個SREC文件的傳輸過程更為安全，從而更好的保護相關的知識產權。 |
