CN112350823B - 车载控制器间can fd通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车载控制器间CAN FD通信方法，在接收到发送方要发送报文的通知后，所述接收方生成一随机数，以使所述发送方利用所述随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方；之后，在每次完成预设数量的报文传输之后，若再接收到所述发送方发送的报文发送请求，所述接收方生成新的随机数，以使所述发送方利用所述新的随机数传输报文；由于在每次完成预设数量的报文传输之后，都会生成新的随机数，因此可以防止中间人攻击，同时，由于报文进行了加密处理，故而可以防止恶意篡改，保证报文的机密性和完整性，另外，由于每次上电启动时，都会先进行一次随机数的生成，故即使某一方出现异常掉电，只需重新进行上述过程即可，通信过程相对简单。

Description

车载控制器间CAN FD通信方法
技术领域
本发明涉及车载控制器通信技术领域，特别涉及一种车载控制器间CAN FD通信方法。
背景技术
自从国家网络安全法规出台，汽车上开始使用车载加密芯片，与此同时，车载控制器之间的通信协议也成为重要的研究方向。随着总线通讯的数据量越来越大，传统的CAN通信协议在传输速率和带宽方面越来越力不从心。因此，CAN FD通信协议孕育而生。
CAN FD与CAN相比，做出了以下的改进：
CAN FD采用了两种方法来提高通信的效率：一种方法为缩短位时间提高位速率；另一种方法为加长数据场长度减少报文数量降低总线负载率。在CRC校验段采用了三种多项式来保证高速通讯下的数据可靠性。
虽然CAN FD相比CAN做了一部分的优化，可是仍然没有解决信息安全的防重放、消息认证等问题，因此，就需要对协议进行二次的设计，保证车载控制器在进行CAN FD通信的过程中避免信息安全方面的漏洞。
对于CAN FD的安全通信方案，VECTOR公司提出了如下的解决方案：
为了防止重放攻击，在通信的一开始，接受者通过ID key生成一串随机数，发送给发送节点。发送节点每次都将该随机数值增加1，并附在消息尾部。当接收节点收到消息时，接收者检查该消息是否和自己发出的相等，如果相同，则继续处理；如果不同，则拒绝该消息。为了容许一定的报文丢失，接收节点允许接收稍微高一点的值。这意味着发送的消息中，计数器一直在变化，及时信号内容保持不变。并且利用AES128算法实现安全传输，而ECU之间的密钥通过密钥协商算法实现，从而实现防重放、消息认证和消息完整。
对于CAN FD的安全通信方案，GM公司提出了如下的解决方案：
GM公司按照AutoSAR标准规范，在CAN FD数据段中添加了counter字段，通过每一次通信counter自增1的变化。
以上两种通信方案虽然解决了重放攻击，但也存在以下问题：
(1)以上两种方案是接受端发送随机数给发送方，发送方每次发送报文都会自增加1方法，告诉接收方，当前发送方发送的报文状态，这种方法虽然防止了重放攻击，不过会添加中间人攻击的风险，因为是每次只增加1，所以下一次的会话，随机数或counter值就可以被猜测到，很容易引入中间人攻击；
(2)由于随机数或counter数值的改变的特性，不能够存放在EEP中，因为EEP中的可以反复存储数据的次数是有限，一般是十万次左右，由于这样的特性，随机数或counter值一般会存放在RAM中，可是针对Tbox和车载控制器这样的控制器而言，会存在异常掉电的情况，并且增加1的情况是在车辆的整个生命周期中都存在的，也就是说随机数或counter数值在整个车辆生命周期中会一直在增加，如果出现这样的情况，数值就会被清空，这样通信的双方就需要重新的协商当前的随机数或counter值是多少，这样导致会出现一个通信信号来协助协商过程的完成，从而也就会导致整个过程由于数值同步的问题而异常的复杂，对于车载控制器而言，越复杂的通信过程代表越不稳定，以及越低的通信效率，在实时性要求非常高的车况下，甚至会造成安全性的隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载控制器间CAN FD通信方法，以解决现有车载控制器间CAN FD通信方法在可以防止恶意对报文进行篡改以及防止重放攻击的同时，无法防止中间人攻击，而且在异常掉电后需要再次进行协商，使得通信过程复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种车载控制器间CAN FD通信方法，包括：
在接收到发送方要发送报文的通知后，所述接收方生成一随机数，并利用所述随机数生成一临时会话密钥发送给所述发送方，所述发送方对所述临时会话密钥进行解密以得到所述随机数，并利用所述随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方；
在每次完成预设数量的报文传输之后，若再接收到所述发送方发送的报文发送请求，所述接收方生成新的随机数，并利用所述新的随机数生成新的临时会话密钥发送给所述发送方，所述发送方对所述新的临时会话密钥进行解密以得到所述新的随机数，并利用所述新的随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，在所述接收方至少两次生成新的随机数时，每次所述预设数量为同一值或为不同值。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，所述通知包括要传输的报文的数量，所述预设数量不超过要传输的报文的总数。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，，所述车载控制器间CAN FD通信方法还包括：
在通信开始之前，在所述接送方预置加密密钥和在所述发送方预置解密密钥；
其中，所述加密密钥用于对所述随机数加密以生成所述临时会话密钥，所述解密密钥用于对所述临时会话密钥进行解密。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，所述车载控制器间CAN FD通信方法还包括：在通信开始之前，在所述发送方和所述接收方预置第一算法和第二算法；
其中，所述第一算法为对称加密算法或非对称加密算法，所述第二算法为哈希算法。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，当所述加密密钥和所述解密密钥为同一密钥时，所述第一算法为对称加密算法，当所述加密密钥和所述解密密钥为同一密钥时，所述第一算法为非对称加密算法。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，所述临时会话密钥采用第一规则生成，所述第一规则为：
利用第一算法和所述加密密钥对所述随机数进行加密以形成第一数据；以及，
利用第二算法和所述加密密钥对所述随机数进行加密以形成第二数据；
其中，所述第一数据和所述第二数据组成所述临时会话密钥。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，采用第二规则对报文进行加密处理，所述第二规则为：
利用所述第二算法和当前报文传输时生成的所述随机数对所述当前要发送的报文进行加密以形成第三数据；
将所述第三数据添加到所述当前要发送的报文。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，所述对称加密算法为AES128算法，所述非对称加密算法为ECC算法，所述哈希算法为SHA1、MD4、MD5、MD6或SHA2。
可选的，在所述的车载控制器间CAN FD通信方法中，所述车载控制器间CAN FD通信方法还包括：每建立一次通信，所述接收方均至少生成一随机数，以用于生成当前通信的临时会话密钥，进而用于发送当前通信的报文。
在本发明提供的车载控制器间CAN FD通信方法中，用随机数添加到报文数据后面来防止重放攻击，在接收到发送方要发送报文的通知后，所述接收方生成一随机数，并利用所述随机数生成一临时会话密钥发送给所述发送方，所述发送方对所述临时会话密钥进行解密以得到所述随机数，并利用所述随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方；在每次完成预设数量的报文传输之后，若再接收到所述发送方发送的报文发送请求，所述接收方生成新的随机数，并利用所述新的随机数生成新的临时会话密钥发送给所述发送方，所述发送方对所述新的临时会话密钥进行解密以得到所述新的随机数，并利用所述新的随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方。由于在每次完成预设数量的报文传输之后，都会生成新的随机数，因此可以防止中间人攻击，同时，由于报文在传输的过程利用随机数进行加密处理，故而可以防止恶意对报文进行篡改，保证报文的机密性和完整性，另外，由于每次上电启动(建立通信)时，都会先进行一次随机数的生成，故即使某一方出现异常掉电，也不需要重新协商counter值，只需重新进行上述过程即可，即，相较于现有技术，不会因为异常掉电，而使通信过程变得复杂。
附图说明
图1为本发明实施例提供的车载控制器间CAN FD通信方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中临时会话密钥的数据结构组成示意图；
图3为本发明实施例中加密处理后的报文的数据结构组成示意图。
具体实施方法
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的车载控制器间CAN FD通信方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
图1为本发明实施例提供的一种车载控制器间CAN FD通信方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种车载控制器间CAN FD通信方法包括以下步骤：
S11，在接收到发送方要发送报文的通知后，所述接收方生成一随机数，并利用所述随机数生成一临时会话密钥发送给所述发送方；所述发送方对所述临时会话密钥进行解密以得到所述随机数，并利用所述随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方；
S12，在每次完成预设数量的报文传输之后，若再接收到所述发送方发送的报文发送请求，所述接收方生成新的随机数，并利用所述新的随机数生成新的临时会话密钥发送给所述发送方，所述发送方对所述新的临时会话密钥进行解密以得到所述新的随机数，并利用所述新的随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方。
在本发明实施例提供的所述车载控制器间CAN FD通信方法中，由于在每次完成预设数量的报文传输之后，都会生成新的随机数，因此可以防止重放攻击，同时，由于报文在传输的过程利用随机数进行加密处理，故而可以防止恶意对报文进行篡改，保证报文的机密性和完整性，另外，由于每次开始通信之前，都会先进行一次随机数的生成，故即使某一方出现异常掉电，也不需要重新协商counter值，只需重新进行上述过程即可，即，相较于现有技术，不会因为异常掉电，而使通信过程变得复杂。
本发明实施例提供的通信方法，每建立一次通信，即车载控制器(包括所述发送方和所述接收方)每上电启动一次，所述接收方均至少生成一随机数，以用于生成当前通信的临时会话密钥，进而用于发送当前通信的报文。
其中，在每次通信过程中，可以只生成一随机数，也可以每隔一定数量的报文产生一个随机数，越频繁则越安全，生成随机数的频率取决于通信速率的要求；而且，在所述接收方至少两次生成新的随机数时，每次所述预设数量为同一值，或为不同值，例如第一次生成新的随机数，可以是在已经传输完5条报文，而第二次生成新的随机数，可以是在重新传输完8条报文。生成随机数的频率的切换也在一定程度上增加了安全度，有助于防止中间人攻击。
另外，较佳的，所述通知包括要传输的报文的数量，以便于所述预设数量的设置，使得所述预设数量不超过要传输的报文的总数。例如，若所述发送方通知要传输的报文数量为10，那么，所述接收方在接收到通知后，可将所述预设数量设置为5、6、10等，而若发送方通知要传输的报文数量为50，那么接收方在接收到通知后，可将所述预设数量设置为20、30、40等。也就是说，当所述通知包括要传输的报文的数量时，给予了所述接收方设置生成随机数节点的依据，以避免出现所述预设数量设置过大，所述接收方始终无法生成新的随机数的情况，但，当要传输的报文的总数相对较多时，为了通信速率，却可适当的增加所述预设数量的值。
表1所示，为示例的当要传输的报文的数量为50条时，每次要生成随机数时所述预设数量的设置情况。在传输完第一条报文之后，若再传输5条报文，则生成新的随机数1；之后，若再传输10条报文，则生成新的随机数2；再之后，若再传输8条报文，则生成新的随机数3；最后，若再传输12条报文，则生成新的随机数4，剩余的报文均采用随机数4加密完成传输。
表1
预设数量报文 新的随机数
5条 随机数1
10条 随机数2
8条 随机数3
12条 随机数4
此外，本发明实施例中，可采用加密密钥对所述随机数加密以生成所述临时会话密钥；可采用解密密钥对所述临时会话密钥以获得所述随机数。因此，所述车载控制器间CAN FD通信方法还可包括：在通信开始之前，在所述接送方预置加密密钥和在所述发送方预置解密密钥；以及，
在所述发送方和所述接收方预置第一算法和第二算法；其中，所述第一算法为对称加密算法或非对称加密算法，所述第二算法为哈希算法。当所述加密密钥和所述解密密钥为同一密钥时，所述第一算法为对称加密算法，当所述加密密钥和所述解密密钥为同一密钥时，所述第一算法为非对称加密算法。
其中，所述对称加密算法可为AES128算法，所述非对称加密算法可为ECC算法，可以进行加解密的运算；所述第二算法可为哈希算法，例如为SHA1、MD4、MD5、MD6或SHA2，只能进行加密运算，不能进行解密运算，以保证数据的完整性。
进一步的，所述临时会话密钥优选采用第一规则生成，所述第一规则为：利用第一算法和加密密钥对所述随机数进行加密以形成第一数据Cipher；以及利用第二算法和加密密钥对所述随机数进行加密以形成第二数据HMAC1；其中，如图2所示，所述第一数据Cipher和所述第二数据HMAC1组成所述临时会话密钥；步骤S14中，所述加密处理后的报文均采用第二规则生成，所述第二规则为：利用所述第二算法和当前报文传输时生成的所述随机数对所述当前要发送的报文进行加密以形成第三数据Cipher；将所述第三数据Cipher添加到所述当前要发送的报文Data，使得加密处理后的报文的数据结构如图3所示。
本发明实施例提供的车载控制器间CAN FD通信方法主要包括两个过程：临时会话密钥的生成过程和安全通信过程。
(1)临时会话密钥的生成过程
上电启动之后，在发送方向接收方通知传输报文后，接收方生成一随机数，由于每次上电启动，接收方都会生成至少一个随机数，并基于生成的随机数生成当前通信的临时会话密钥，因此即使某一方出现异常掉点，也不需要协商，则只需重新进行上述过程即可，即，相较于现有技术，不会因为异常掉电，而使通信过程变得复杂。
(2)安全通信过程
发送方在接收到接收方发送的临时会话密钥后，对接收的临时会话密钥进行解密，从而获得用以生成该临时会话密钥的随机数，并利用该随机数对报文进行加密处理，由于采用随机数对报文进行了加密处理，因此，可以防止恶意对报文进行篡改，从而可以保证报文的机密性和完整性。而且，由于在每次完成预设数量的报文传输之后，都会生成新的随机数，因此可以防止中间人攻击。
综上所述，本发明提供的车载控制器间CAN FD通信方法解决了现有车载控制器间CAN FD通信方法在可以防止恶意对报文进行篡改以及防止重放攻击的同时，无法防止中间人攻击，而且在异常掉电后需要再次进行协商，使得通信过程复杂的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种车载控制器间CAN FD通信方法，其特征在于，包括：
在接收到发送方要发送报文的通知后，接收方生成一随机数，并利用所述随机数生成一临时会话密钥发送给所述发送方，所述发送方对所述临时会话密钥进行解密以得到所述随机数，并利用所述随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方；
在每次完成预设数量的报文传输之后，若再接收到所述发送方发送的报文发送请求，所述接收方生成新的随机数，并利用所述新的随机数生成新的临时会话密钥发送给所述发送方，所述发送方对所述新的临时会话密钥进行解密以得到所述新的随机数，并利用所述新的随机数对报文进行加密处理后传输给所述接收方；
其中，在所述接收方至少两次生成新的随机数时，每次所述预设数量为同一值或为不同值，使得生成新的随机数的频率发生变化；所述通知包括要传输的报文的数量，所述接收方根据要传输的报文的数量调整所述预设数量，所述预设数量不超过要传输的报文的总数。
2.如权利要求1所述的车载控制器间CAN FD通信方法，其特征在于，所述车载控制器间CAN FD通信方法还包括：
在通信开始之前，在所述接收方预置加密密钥和在所述发送方预置解密密钥；
其中，所述加密密钥用于对所述随机数加密以生成所述临时会话密钥，所述解密密钥用于对所述临时会话密钥进行解密。
3.如权利要求2所述的车载控制器间CAN FD通信方法，其特征在于，所述车载控制器间CAN FD通信方法还包括：在通信开始之前，在所述发送方和所述接收方预置第一算法和第二算法；
其中，所述第一算法为对称加密算法或非对称加密算法，所述第二算法为哈希算法。
4.如权利要求3所述的车载控制器间CAN FD通信方法，其特征在于，
当所述加密密钥和所述解密密钥为同一密钥时，所述第一算法为对称加密算法，当所述加密密钥和所述解密密钥为同一密钥时，所述第一算法为非对称加密算法。
5.如权利要求3所述的车载控制器间CAN FD通信方法，其特征在于，所述临时会话密钥采用第一规则生成，所述第一规则为：
利用第一算法和所述加密密钥对所述随机数进行加密以形成第一数据；以及，
利用第二算法和所述加密密钥对所述随机数进行加密以形成第二数据；
其中，所述第一数据和所述第二数据组成所述临时会话密钥。
6.如权利要求3所述的车载控制器间CAN FD通信方法，其特征在于，采用第二规则对报文进行加密处理，所述第二规则为：
利用所述第二算法和当前报文传输时生成的所述随机数对当前要发送的报文进行加密以形成第三数据；
将所述第三数据添加到所述当前要发送的报文。
7.如权利要求3所述的车载控制器间CAN FD通信方法，其特征在于，所述对称加密算法为AES128算法，所述非对称加密算法为ECC算法，所述哈希算法为SHA1、MD4、MD5、MD6或SHA2。
8.如权利要求1～7中任一项所述的车载控制器间CAN FD通信方法，其特征在于，所述车载控制器间CAN FD通信方法还包括：每建立一次通信，所述接收方均至少生成一随机数，以用于生成当前通信的临时会话密钥，进而用于发送当前通信的报文。
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