车辆安全中的证书与密钥介绍与配置模拟

原创汽车电子与软件 2025-01-23 12:24

入门级示波器调查 精密双向电流传感放大器：精准测量，守护电流安全

作者 | 不可说

出品 | 汽车电子与软件

#01

引入

随着汽车技术的飞速发展，智能化、网联化已成为不可逆转的趋势，车辆与外界的通信和数据交换变得日益频繁且复杂。这种趋势在带来便利性的同时，也使得信息安全问题愈发凸显，成为不容忽视的挑战。

一旦车辆系统遭受黑客攻击或数据泄露，后果将不堪设想。用户的个人隐私可能因此曝光于公众视野，面临被滥用的风险。更为严重的是，车辆可能会被恶意控制，导致行驶轨迹偏离、功能失效等严重安全问题，进而对道路使用者的生命财产安全构成巨大威胁。这种潜在的危害不仅损害了用户的利益，也对整个汽车产业的健康发展造成了不利影响。

因此，加强汽车信息安全防护显得尤为迫切。我们必须采用先进的加密技术，确保数据传输过程中的机密性和完整性；制定严格的安全协议，规范数据交换的行为和流程；并引入高效的证书管理机制，验证通信双方的身份和权限。通过这些措施，我们可以确保数据的传输、存储和处理都处于安全可控的状态，从而有效防范信息安全风险。

#02

应用场景

在汽车通信中，为了保证信息安全，多个场景都可以用到证书和密钥来保证通信、数据的机密性与完整性：

车辆与智能手机的通信

车辆与智能手机之间的通信，用于实现远程控制、状态查询、数据共享等功能。需要确保通信数据的安全性、隐私性和完整性，防止数据被泄露或篡改。证书用于验证车辆和智能手机的身份，确保通信双方都是合法的。密钥用于加密通信数据，保护数据的机密性和完整性，同时防止未经授权的访问。

车辆与云平台的通信

车辆与云平台之间的通信，用于实现远程监控、数据分析、软件更新等功能。很多车辆与手机的通信也要是经过云平台处理的。同样需要确保通信数据的安全性、完整性和可靠性，防止数据被窃取、篡改或伪造。证书用于验证车辆和云平台的身份，确保通信双方都是合法的。

密钥用于加密通信数据，同时防止中间人攻击等安全风险。

车辆内部通信

车辆内部各个ECU之间的通信，比如车辆通信大数据、日志等信息汇总。需要确保通信数据的真实性、完整性和实时性，防止数据被恶意攻击或篡改。

软件更新和固件升级（OTA）

OEM需要定期对其生产的汽车进行软件更新和固件升级，以确保汽车的性能和安全。在这个过程中，证书和密钥可以用于确保更新和升级过程中的数据安全，同时需要密钥来验证安装包的合法性与完整性。

#03

证书与密钥

证书

证书是一种由认证机构（CA）颁发的电子文档，用于证明公钥持有者的身份。它包含以下关键信息：

公钥：证书中最重要的部分，用于加密数据或验证签名。

证书持有者信息：包括证书持有者的名称、组织、国家等身份信息。

证书颁发机构（CA）信息：包括CA的名称、签名等，用于验证证书的真实性。

有效期：证书的有效期限，过期后需要重新颁发。

证书序列号：CA为每个证书分配的唯一编号。

签名：CA使用其私钥对证书内容进行的数字签名，用于验证证书未被篡改。

证书的主要作用是确保公钥与公钥持有者的身份正确匹配，防止中间人攻击等安全问题。

密钥

密钥是加密算法中使用的参数，用于对数据进行加密或解密，或对数据进行签名和验证签名。

密钥分为对称密钥和非对称密钥两种：

对称密钥：加密和解密使用相同的密钥。常见的对称加密算法包括AES、DES等。

非对称密钥：包括公钥和私钥一对。公钥用于加密数据或验证签名，私钥用于解密数据或生成签名。常见的非对称加密算法包括RSA、ECC等。

在公钥基础设施（PKI）中，非对称密钥尤其重要。公钥可以公开给任何人，而私钥必须保密。通过私钥和公钥的配对使用，可以实现数据的机密性、完整性和身份认证。

证书与密钥之间存在密切的关系：

证书包含公钥：证书是公钥的载体，用于证明公钥的合法性。

私钥用于签名：私钥用于生成数字签名，证明信息的完整性和发送者的身份。

证书验证：通过验证证书中的签名，可以确保证书未被篡改，从而验证公钥的真实性。

格式

从文件编码的角度来看，证书和密钥主要可以分为两大类格式：

一类是PEM（Privacy Enhanced Mail）格式，它采用Base64 ASCII编码方式，是一种纯文本格式，便于阅读和传输，同时也便于在不同系统间进行交换和存储。

另一类是DER（Distinguished Encoding Rules）格式，它是一种二进制格式，结构紧凑且高效，通常用于需要高效存储和传输的场景。

在实际应用中，CRT、CER、KEY等证书和密钥文件，它们各自遵循特定的结构规范，在存储为物理文件时，可以根据需要选择PEM格式或DER格式。

具体来说，CER格式通常用于Windows系统中的证书文件，它符合Windows系统对证书文件的特定要求。CRT格式则更多地用于Linux系统中的证书，它包含了公钥和主体信息等关键内容，是Linux系统中常见的证书格式。而KEY格式则主要用于密钥文件，特别是私钥的存储，它与证书文件一一对应，共同构成了数字证书的核心部分。

打个比方来说，CER、CRT、KEY等证书和密钥文件就像是论文、说明书等文档，它们都有各自规定的行文格式与规范。而PEM和DER格式则相当于这些文档的存储格式，就像是txt格式和word格式一样，它们决定了文档如何被存储和呈现。

此外，还有一些其他常见的证书文件格式，如CSR（Certificate Signing Request，证书签名请求）文件。证书申请者在生成私钥的同时，也会生成一个CSR文件，这个文件包含了申请者的公钥和身份信息等内容。将CSR文件提交给证书颁发机构后，证书颁发机构会使用其根证书的私钥对CSR文件进行签名，从而生成一个包含公钥的证书文件，也就是颁发给用户的证书。

.key文件则是私钥的存储格式，它与证书文件一一配对，共同构成了数字证书的基础。而.crt、.cert、.cer等文件后缀则通常用于表示证书文件，它们可以是二进制格式的DER文件，也可以是文本格式的PEM文件。这些文件只包含证书信息，不保存私钥。一般来说，Linux系统更倾向于使用.crt后缀的证书文件，而Windows系统则更常使用.cer后缀的证书文件。

另外，还可以将多级证书导入同一个证书文件中，形成一个包含完整证书链的证书文件。这样做的好处是可以简化证书的管理和使用，提高系统的安全性和可靠性。

最后，还有一种特殊的文件格式是.pkcs12、.p12或.pfx文件，它们采用二进制格式存储，同时包含了证书和私钥（通过.crt或.cer文件与私钥.key文件合成）。这些文件通常会有密码保护，以确保私钥的安全性。

#04

通信加密：SSL单向认证

SSL单向认证主要是车辆客户端去验证服务器的合法性，这个过程服务器需要CA证书、server证书、server私钥，客户端需要CA证书。

整个过程可以参考下图：

SSL单向认证流程

在SSL单向认证过程中，首先客户端向服务器发起HTTPS连接请求，并附上自身支持的SSL/TLS协议版本、对称加密算法列表及生成的随机数A；接着服务器回应，确认双方支持的协议版本和加密算法，并附上自身的安全证书（含公钥）及生成的随机数B；然后客户端验证服务器证书的有效性，包括检查证书是否过期、是否被吊销、是否可信以及证书域名与请求域名是否一致，验证通过后，客户端生成一个预主密钥（随机数C），使用服务器证书中的公钥加密后发送给服务器；最后服务器使用私钥解密得到预主密钥，双方基于这三个随机数通过相同密钥交换算法计算出相同的对称加密密钥，用于后续的数据加密通信。在此过程中，仅服务器进行身份验证，客户端无需提供证书。

#05

通信加密：SSL双向认证

SSL双向认证是验证服务器和车辆客户端的合法性，服务器需要CA证书、server证书、server私钥，客户端需要CA证书，client证书、client私钥。

整个过程可以参考下图：

SSL双向认证流程

车辆作为客户端向服务器发送SSL连接请求，服务器返回包含公钥和证书颁发机构信息的数字证书给客户端，车辆客户端验证该证书的有效性和真实性后，生成一个随机密钥用服务器的公钥加密发送给服务器，服务器解密得到密钥后，服务器也会要求车辆客户端发送其证书，车辆客户端发送后服务器验证其合法性和有效性，确认双方身份后，双方使用该密钥进行加密通信，从而确保通信的安全性和真实性。

#06

加签与验签

加签与验签最经典的则是对OTA数据包的处理，车辆云平台下发数据包前对其进行加签，再经过双向验证的加密通道将数据下发到车辆端，车端在执行升级前需要经过对其的验签过程，以保证数据包的完整性。