汽车MCU安全启动加密算法解读

我们之前简单描述了汽车MCU常见的安全启动。这里我们就要对启动中所使用的加密算法进行描述。

首先我们来分析在MCU中安全启动时所需要的成员：

1、待校验对象（通常为应用程序）的数据长度、起始地址；

2、待校验对象进行校验时所需要的加密算法；

3、待校验对象进行校验时所需要的密钥；

有了上述三个成员，（注意：开始描述安全启动逻辑代码）启动的信任根（通常是HSM的BootRom）首先会查看待校验对象的数据长度和起始地址是否合法（通常就是范围判断），然后到slot中获取校验对象的验证密钥（思考下我这里为什么不说解密密钥而是说验证密钥？），最后将校验对象的数据按块放进硬件加速引擎进行处理，得出一个结果与预存在HSM NVM的结果（什么时候预存的？存到哪里的？）进行对比。

01. MCU安全启动加密算法选择

大家思考一个问题，在汽车MCU运行时代码通常都是直接在flash中运行，很少出现把一个功能栈拷贝到ram中运行，主要是MCU的SRAM通常十分珍贵，且比较小，虽然最近出来的片子S32G、TC3xx SRAM已经来到MB级别，但是鉴于成本、和芯片厂通常会将PFlash和CPU直连以加快取指速度，一般都还是采用比较传统的方式。

既然是直接取指，如果应用程序是加密存储在flash中，即使安全启动通过，应用程序解密完也没有足够的ram存放，所以一般来说，存放在flash中的代码均是以明文+签名or认证码的方式进行处理。

因此，汽车网络安全工程师最熟悉的AES128-CMAC来了。

02. AES-CMAC详解

首先我们来回顾什么是AES(advanced encryption standard)加密算法。

AES屁股后面跟的工作模式通常是CBCCFB这些，这个CMAC是个啥？

来看下全称：Cipher-based Message Authentication Code。

我们知道MAC本身就是与密码相关的Hash，它不仅提供了比crc这类算法更强的数据完整性保护，还防止了数据未经允许的修改、破坏等（验证数据来源）。为什么呢？因为MAC就是将密钥和明文使用某种算法共同计算出一个值，只有知道密钥的接收方才能计算出与之匹配的值；即使密钥被攻击者破解，由于MAC的hash属性，攻击者是无法反推出数据的。

所以我们在SecOC里面最常用的还是AES128-CMAC外加FvM防止重放攻击。

本质上，AES-CMAC和OMAC1（一种改进的CBC-MAC算法）相同，使用一个私密的密钥、可变长度的消息数据（对齐该消息按照固定长度进行分块计算），最终返回一个固定长度的值，这个值我们叫做MAC。

2.1 子密钥的生成

对于CMAC来说，存在数据长度不是128bit整数倍的情况，因此，这个算法流程有两种，如下：

case a ：消息数据是128bit的整数倍，使用私密密钥k1生成MAC(T)；

case b：消息数据不能整除，使用私密密钥k2生成MAC(T);

而私密密钥的生成又是按照如下方式生成：

1、初始向量IV（0） + 原始key，使用AES-128-CBC，生成一个中间输出L；

2、判断该L最高位是否等于0；如果等于0，k1 = L << 1；否则，k1 = （L << 1）XOR 0x87(Rb_const);

3、判断k1的最高位是否等于0；如果等于0，k2 = k1 << 1；否则，k2 = （L << 1）XOR 0x87(Rb_const);

同时对于上述两个case，使用k1或者k2生成消息数据最后一块的数据。

需要注意的是，当处于case b时，M_last是需要进行填充的，填充方式参考04.数据填充

2.2 MAC生成算法

使用AES-CMAC进行计算，需要三个输入：私密密钥(k)、消息数据、消息数据长度；具体操作流程如下：

仅在最后一步使用的明文分组生成AES-CMAC。

可以选择直接把明文组包+CMAC发给接收方，也可以用密文+CMAC。

03. HMAC详解

HMAC(Hash-based Message Authentication Code)：Hash函数是公开的，因此直接使用无密钥的Hash对数据处理，只能保证数据的完整性。如果加上MAC值，那么就可以验证数据的来源有效

MD-5和SHA-1就是这种hash函数的示例。

参考链接如下：https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc2104

04. 数据填充

我们发现，在使用上述算法进行计算时，AES都是以一个块进行计算，如果此时要计算的数据分组后最后一块不够128bit，就要进行填充，常见填充方式(假设数据块为8个byte)如下：

全0填充

填充结构：

Data：| 11 11 11 11 11 11 11 11 | 11 11 00 00 00 00 00 00 |

PKCS#7填充

每一个字节都表示填充的长度，如下：

| 11 11 11 11 11 11 11 11 | 11 11 06 06 06 06 06 06 |

ANSI X.923 填充

该方式用0进行填充，但用最后一个字节表示填充的长度，如下：

| AA AA AA AA AA AA AA AA | AA AA 00 00 00 00 00 06 |   

审核编辑：黄飞