本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車信息安全的方法，屬于新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

新能源汽車以及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。而電動(dòng)汽車是新能源汽車的代表，占據(jù)新能源汽車銷量的60%以上。目前車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用主要體現(xiàn)在車載信息系統(tǒng)上，例如寶馬的idrvie、福特的sync、奧迪的mmi系統(tǒng)、雪鐵龍的dsconnect系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)在車聯(lián)網(wǎng)的情況下，就很有可能成為外界攻擊車輛或者監(jiān)聽車輛信息的中間設(shè)備。一旦黑客能夠在車載信息系統(tǒng)中安裝了惡意app或者取得了車載操作系統(tǒng)的root權(quán)限，那么很有可能就能夠成功劫持汽車，造成很大的危害。而在車聯(lián)網(wǎng)的情況下，汽車作為和pc機(jī)類似的網(wǎng)絡(luò)終端，想要通過軟件或者硬件的手段完成避免攻擊的成本很高，而且?guī)缀醪豢赡軐?shí)現(xiàn)，那么保障車載信息系統(tǒng)和車內(nèi)ecu通信的信息安全就變得尤為重要。

目前包括寶馬、克萊斯勒、奧迪等知名車廠生產(chǎn)的高配汽車中都安裝了較為先進(jìn)的車載信息系統(tǒng)，支持通過車載信息系統(tǒng)對車窗、車門進(jìn)行控制，支持自動(dòng)泊車，但并沒有很好的保障汽車信息安全的方法，并且大部分車廠沒有意識(shí)到車聯(lián)網(wǎng)情況下汽車信息安全的重要性，很少做安全措施來保障汽車的信息安全。國內(nèi)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，企業(yè)也沒有行之有效的技術(shù)來保障汽車的信息安全。

汽車產(chǎn)商和科研機(jī)構(gòu)大致提供了7類技術(shù)來改善車聯(lián)網(wǎng)的信息安全，但是其中安全性最高的是聯(lián)網(wǎng)時(shí)通過ssl標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)數(shù)據(jù)安全，通過證書來實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。但是ssl源碼比較大，而且對每一輛車通過證書來驗(yàn)證目前不具備可行性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，提供一種實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車信息安全的方法，在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)通信雙方的身份認(rèn)證以及數(shù)據(jù)加密，資源需求小，安全性好，能夠很好的解決目前車聯(lián)網(wǎng)情況下電動(dòng)汽車的信息安全問題。

本發(fā)明為達(dá)到上述目的，所采用的技術(shù)手段是：一種實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車信息安全的方法，通過電動(dòng)汽車信息安全網(wǎng)關(guān)將車載信息系統(tǒng)和車內(nèi)ecu進(jìn)行隔離，車內(nèi)ecu通過can總線和信息安全網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，信息安全網(wǎng)關(guān)和車載信息系統(tǒng)通過以太網(wǎng)通信；信息安全網(wǎng)關(guān)與車載信息系統(tǒng)通信開始時(shí)要進(jìn)行身份認(rèn)證，身份認(rèn)證之后動(dòng)態(tài)協(xié)商密鑰，通信過程中利用協(xié)商到的密鑰對交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解密處理以及數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)。

進(jìn)一步的，所述的通過電動(dòng)汽車信息安全網(wǎng)關(guān)將車載信息系統(tǒng)與車內(nèi)ecu進(jìn)行物理上的隔離，當(dāng)車載信息系統(tǒng)與車內(nèi)ecu通信時(shí)，先要對雙方進(jìn)行身份認(rèn)證，車載信息系統(tǒng)負(fù)責(zé)與車內(nèi)ecu通信，將自己的公鑰和公鑰的簽名發(fā)給信息安全網(wǎng)關(guān)，信息安全網(wǎng)關(guān)對簽名進(jìn)行解密，驗(yàn)證解密后的公鑰與接收到的原公鑰是否一致，如果一致，則通過身份認(rèn)證，同樣，車載信息系統(tǒng)會(huì)對信息安全網(wǎng)關(guān)進(jìn)行身份認(rèn)證；身份認(rèn)證均通過之后，通信雙方通過已經(jīng)認(rèn)證通過的非對稱密鑰協(xié)商雙方數(shù)據(jù)通信的加密密鑰和完整性校驗(yàn)密鑰，在身份認(rèn)證過程中，會(huì)有一個(gè)會(huì)話id號(hào)的傳遞，將密鑰需與會(huì)話id號(hào)綁定；當(dāng)車內(nèi)ecu向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信息安全網(wǎng)關(guān)通過can總線接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性認(rèn)證，然后通過協(xié)商好的密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后通過以太網(wǎng)接口傳給車載信息系統(tǒng)；當(dāng)信息安全網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，解密之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性驗(yàn)證，如果校驗(yàn)通過，那么將數(shù)據(jù)通過can總線發(fā)出去；否則丟棄數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，所述的身份認(rèn)證采用帶簽名的非對稱密鑰實(shí)現(xiàn)。

更進(jìn)一步的，所述的簽名由一對非對稱密鑰來實(shí)現(xiàn)，這對非對稱密鑰同時(shí)被信息安全網(wǎng)關(guān)和車載信息系統(tǒng)信任，其中私鑰用于對通信雙方的身份進(jìn)行簽名，公鑰用來驗(yàn)證通信雙方的身份被簽名過。

更進(jìn)一步的，所述身份認(rèn)證是通信雙方均需要通過一對非對稱密鑰來認(rèn)證自己身份，車載信息系統(tǒng)中負(fù)責(zé)與電動(dòng)汽車信息安全網(wǎng)關(guān)通信的任務(wù)由唯一的一對非對稱密鑰標(biāo)識(shí)。

進(jìn)一步的，所述的動(dòng)態(tài)協(xié)商的密鑰采用rsa加密算法加密。協(xié)商的密鑰包括數(shù)據(jù)加密密鑰以及數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)密鑰。

更進(jìn)一步的，所述的數(shù)據(jù)加密方法是3des加密算法。所述的完整性校驗(yàn)算法是hmac-md5-128算法。當(dāng)數(shù)據(jù)輸出時(shí)，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗(yàn)計(jì)算，將計(jì)算出的mac值添加值數(shù)據(jù)報(bào)文的頭部，然后對數(shù)據(jù)(包括頭部的mac)使用3des算法加密，加密之后添加安全層的頭部信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)往下一層處理。

更進(jìn)一步，所述下一層是指tcp/ip模型中的傳輸層。

進(jìn)一步的，當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)身份認(rèn)證錯(cuò)誤以及mac/解密錯(cuò)誤時(shí)，需要向發(fā)送方發(fā)送致命錯(cuò)誤信息，并關(guān)閉連接。

本發(fā)明有益效果在于：通過通信雙方通信開始時(shí)的身份認(rèn)證以及通信過程中的數(shù)據(jù)加密以及數(shù)據(jù)完整性認(rèn)證，可以保障車載信息系統(tǒng)和車內(nèi)ecu通信的安全、可靠與保密。該方法特別適用于資源少，沒有連接pki系統(tǒng)的嵌入式平臺(tái)，可以通過保障車載信息系統(tǒng)與車內(nèi)ecu通信的安全、可靠來保證電動(dòng)汽車在車聯(lián)網(wǎng)的情況下不會(huì)因?yàn)楹诳凸舳管囍鞒霈F(xiàn)生命財(cái)產(chǎn)的安全問題。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的電動(dòng)汽車信息安全的架構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)現(xiàn)實(shí)施例提供的安全層與通信協(xié)議之間的關(guān)系示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的通信雙方建立連接時(shí)的握手流程圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的通信過程中數(shù)據(jù)報(bào)文輸出處理流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的安全層與傳輸層之間的報(bào)文封裝結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的通信過程中數(shù)據(jù)報(bào)文輸入處理流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)需要集成在一個(gè)嵌入式硬件平臺(tái)，命名為電動(dòng)汽車信息安全網(wǎng)關(guān)，其與車載信息系統(tǒng)和車內(nèi)ecu的關(guān)系如圖1所示。電動(dòng)汽車信息安全網(wǎng)關(guān)在軟件上移植了嵌入式操作系統(tǒng)以tcp-ip協(xié)議棧，編寫了can驅(qū)動(dòng)代碼，使得電動(dòng)汽車信息安全網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)can通信以及以太網(wǎng)通信的功能。

如圖2所示，在應(yīng)用層和傳輸層之間實(shí)現(xiàn)安全層。安全層主要包括通信建立時(shí)的握手過程以及通信過程中的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸過程。應(yīng)用層數(shù)據(jù)（步驟21）從應(yīng)用層發(fā)向安全層（22），在安全層處理之后發(fā)向傳輸層（23）。

如圖3所示，通信發(fā)起方（以下稱為客戶端）與通信響應(yīng)方（以下稱為服務(wù)器）通信開始時(shí)，要實(shí)行握手協(xié)議。握手協(xié)議主要完成身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商的功能。通信雙方的身份由各自的一對非對稱密鑰來標(biāo)識(shí)，即客戶端由公鑰（client_pubkey）和私鑰（client_prikey）來標(biāo)識(shí)，服務(wù)器由公鑰(server_pubkey)和私鑰（server_prikey）來標(biāo)識(shí)。整個(gè)通過過程存在一個(gè)雙方均信任的一對第三方非對稱密鑰（trust_public_key和trust_private_key)，任何由trust_private_key簽名的其他非對稱密鑰均值得信任，通信系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)均擁有trust_public_key。

首先客戶端向服務(wù)器發(fā)送client_hello（步驟31），包含的主要報(bào)文內(nèi)容是一個(gè)隨機(jī)數(shù)random_c、一個(gè)會(huì)話id、用客戶端私鑰作用于隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的簽名（client_prikey(random_c))、用第三方私鑰作用于客戶端公鑰產(chǎn)生的簽名（trust_private_key(client_pubkey)。服務(wù)器接受到客戶端發(fā)送的報(bào)文之后，用trust_public_key對trust_private_key(client_pubkey）進(jìn)行簽名認(rèn)證，得到client_pubkey，然后用client_pubkey對（client_prikey(random_c))進(jìn)行簽名認(rèn)證，得到random_c，如果計(jì)算得到的random_c與接收到的random_c一致，說明客戶端的身份值得信任，服務(wù)器將客戶端公鑰、隨機(jī)數(shù)以及id號(hào)緩存下來；否則發(fā)送身份認(rèn)證致命錯(cuò)誤報(bào)文，并斷開連接。

步驟32，服務(wù)器向客戶端發(fā)送server_hello，包含的主要報(bào)文內(nèi)容是一個(gè)隨機(jī)數(shù)random_s、從客戶端接收的id、用服務(wù)器私鑰作用于隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的簽名（server_prikey(random_s))、用第三方私鑰作用于客戶端公鑰產(chǎn)生的簽名（trust_private_key(server_pubkey)。服務(wù)器接受到客戶端發(fā)送的報(bào)文之后，用trust_public_key對trust_private_key(server_pubkey）進(jìn)行簽名認(rèn)證，得到server_pubkey，然后用server_pubkey對（server_prikey(random_s))進(jìn)行簽名認(rèn)證，得到random_s，如果計(jì)算得到的random_s與接收到的random_s一致，說明服務(wù)器的身份值得信任，客戶端將服務(wù)器公鑰、隨機(jī)數(shù)緩存下來；否則發(fā)送身份認(rèn)證致命錯(cuò)誤報(bào)文，并斷開連接。

步驟33，服務(wù)器向客戶端發(fā)送server_prekey_exchange。服務(wù)器產(chǎn)生一個(gè)預(yù)密鑰prekey,然后用客戶端公鑰加密prekey，將client_pubkey(prekey)發(fā)送給客戶端，同時(shí)服務(wù)器由random_c、random_s、prekey作為因子計(jì)算出主密鑰master_key。

步驟34，客戶端向服務(wù)器發(fā)送client_maskey_verify?？蛻舳私邮盏絪erver_prekey_exchange報(bào)文之后，用客戶端的私鑰對報(bào)文進(jìn)行解密得到prekey，客戶端由random_c、random_s、prekey作為因子計(jì)算出主密鑰master_key，然后通過md5哈希算法作用于master_key，計(jì)算出mac，然后用服務(wù)器的公鑰對mac進(jìn)行加密，將server_pubkey(mac)發(fā)送給服務(wù)器。

步驟35，服務(wù)器向客戶端發(fā)送handshake_done。服務(wù)器接收到client_maskey_verify報(bào)文之后，用服務(wù)器的私鑰對報(bào)文進(jìn)行解密解密得到mac值，然后對服務(wù)器的master_key通過md5算法計(jì)算mac值，如果2個(gè)mac值相同，說明客戶端與服務(wù)器的master_key相同。然后將client_pubkey(mac)作為handshake_done的報(bào)文發(fā)送給客戶端；否則發(fā)送密鑰錯(cuò)誤報(bào)文，斷開連接。客戶端接收到handshake_done報(bào)文之后，用客戶端私鑰解密報(bào)文，得到mac，如果和客戶端發(fā)出去的mac一致，說明雙方的主密鑰相同。至此，通信雙方完成身份認(rèn)證以及密鑰協(xié)商的工作。

所述主密鑰的計(jì)算方法是指md5算法。master_key由master_key1、master_key2、master_key3三部分組成，每一部分均為128位。計(jì)算公式為：

master_key1=md5(random_c+random_s+prekey);

master_key2=md5(random_c+random_s+master_key1);

master_key3=md5(random_c+random_s+master_key2);

數(shù)據(jù)傳輸過程中用的對稱加密算法為3des算法，完整性校驗(yàn)算法為md5算法。3des加密算法的初始化向量iv為master_key1的前64位，3des加密算法的密鑰3deskey為master_key1的后64位加上master_key2，共192位；md5算法的mac密鑰為master_key3,共128位。

輸出報(bào)文處理方式：如圖4所示在通信雙方完成握手之后（步驟41），一方等待數(shù)據(jù)從應(yīng)用層傳下來的數(shù)據(jù)。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)（步驟42），發(fā)送方根據(jù)握手過程中的id號(hào)查詢md5算法的mac密鑰、3des算法的iv以及密鑰3deskey。根據(jù)mac密鑰和md5算法計(jì)算出mac值，并將mac值添加到報(bào)文頭部（步驟43）。然后對添加過mac之后的報(bào)文利用3des算法進(jìn)行加密（步驟44），然后添加安全層報(bào)文頭部，包括類型域、長度域、id域（步驟45）。類型域存放此報(bào)文的類型，包括握手類型、致命錯(cuò)誤類型、數(shù)據(jù)類型，其中致命類型錯(cuò)誤分為身份認(rèn)證錯(cuò)誤、mac/解密錯(cuò)誤、會(huì)話id錯(cuò)誤、關(guān)閉連接。長度域是指安全層報(bào)文頭和報(bào)文數(shù)據(jù)的總長度。id域是發(fā)送方和接收方此次通信的id號(hào)，是在握手階段產(chǎn)生的id號(hào)，與此次通信的密鑰綁定。最后，將安全層報(bào)文發(fā)送到傳輸層（步驟46）。

從安全層進(jìn)入傳輸層或者從傳輸層進(jìn)入安全層的數(shù)據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖5所示。

輸入報(bào)文的處理方式如圖6所示：接收方等待數(shù)據(jù)到來（步驟600），當(dāng)從傳輸層接收到數(shù)據(jù)時(shí)，接收方首先做類型檢查（步驟601），如果是握手類型的數(shù)據(jù)，那么進(jìn)入握手流程處理（步驟603）；如果是錯(cuò)誤類型的數(shù)據(jù)，那么接收方記錄錯(cuò)誤原因（步驟602），其中關(guān)閉連接是屬于正常關(guān)閉，身份認(rèn)證錯(cuò)誤、mac/解密錯(cuò)誤、會(huì)話id錯(cuò)誤是雙方通信發(fā)生錯(cuò)誤，然后關(guān)閉此次通信連接（步驟604），釋放會(huì)話id號(hào)，密鑰等資源；如果是數(shù)據(jù)類型，就進(jìn)入應(yīng)用數(shù)據(jù)接收處理過程。進(jìn)入應(yīng)用數(shù)據(jù)接收處理過程之后，首先檢查會(huì)話id（步驟605），如果會(huì)話id號(hào)不存在，那么接收方向發(fā)送方發(fā)送會(huì)話id錯(cuò)誤信息（步驟610），接收方關(guān)閉連接（步驟604）；如果會(huì)話id號(hào)存在，那么根據(jù)會(huì)話id號(hào)查詢對應(yīng)的密鑰（步驟606）。利用查詢得到的3des算法的iv以及3deskey對接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行解密（步驟607），得到數(shù)據(jù)報(bào)明文以及mac值，利用md5算法以及mac密鑰對明文進(jìn)行完整性校驗(yàn)，計(jì)算出mac值（步驟608）。將接收到的mac值與計(jì)算出的mac值進(jìn)行比對（步驟609），如果兩個(gè)mac值不相同，那么接收方向發(fā)送方發(fā)送mac/解密錯(cuò)誤信息（步驟610），然后關(guān)閉連接（步驟604）；如果兩個(gè)mac值相同，那么將安全層的數(shù)據(jù)報(bào)文傳給應(yīng)用層處理（步驟611）。

通過以上的實(shí)施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到上述實(shí)施例可以直接通過硬件算法模塊實(shí)現(xiàn)，也可以在硬件平臺(tái)上借助必要的軟件來實(shí)現(xiàn)?；谶@樣的理解，上述實(shí)施例的技術(shù)方案可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該軟件產(chǎn)品可以存儲(chǔ)在一個(gè)非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)（可以是cd-rom，u盤，移動(dòng)硬盤等）中，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備（可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等）執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例所述的方法。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。