基于FPGA設(shè)計安全的汽車通信網(wǎng)絡(luò)研究

汽車工業(yè)正在經(jīng)歷一場無線技術(shù)革命，但安全威脅不解決，則可能削弱這塊新興的市場。由于高速網(wǎng)絡(luò)連接正設(shè)法進(jìn)入汽車領(lǐng)域，設(shè)計師面臨新通信標(biāo)準(zhǔn)實施的挑戰(zhàn)。許多已經(jīng)習(xí)慣于漫長開發(fā)周期的設(shè)計師, 現(xiàn)在則在為迅速給新型車輛配備用戶需求的電子設(shè)備而進(jìn)行競爭。

為調(diào)整上市時間并駕馭出現(xiàn)的多個標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計師正轉(zhuǎn)向采用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)。遺憾的是，由于汽車工業(yè)匆忙采用下一代基于fpga的汽車遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)，幾乎沒有設(shè)計師能夠充分明白他們選擇的fpga在安全上意味著什么。構(gòu)建安全的網(wǎng)絡(luò)首先要設(shè)計安全的系統(tǒng)，而且選擇適當(dāng)?shù)脑赡軐Υ笮途W(wǎng)絡(luò)和相關(guān)預(yù)訂收入有重要影響。
　　
從發(fā)動機控制模塊，到涉及乘客舒適與安全的駕駛室內(nèi)部系統(tǒng)，已經(jīng)出現(xiàn)了汽車遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)，對于汽車業(yè)它是一個亮點，對于消費者它是一個重要的區(qū)分點，而最終對于oem，它是大幅重現(xiàn)預(yù)訂收入的一個來源。為了實現(xiàn)所需的連接以支持移動汽車遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)用戶群，多種無線傳輸線路正應(yīng)用于汽車，包括：802.11、藍(lán)牙(bluetooth)、地面數(shù)字及衛(wèi)星技術(shù)。然而，相同的技術(shù)在實現(xiàn)汽車遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的同時也可能是其衰落的起點。
　　
令人吃驚的是安全可能是抑制這些無線技術(shù)在車輛上推廣應(yīng)用的頭等因素。廠商無法提供可互操作的高度安全的網(wǎng)絡(luò)，以及對付費使用的設(shè)備進(jìn)行驗證也存在失敗的可能，則是禍因。oem、基礎(chǔ)架構(gòu)開發(fā)商及內(nèi)容提供商已經(jīng)在汽車遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)上投資了數(shù)十億美元，即使如此，前景仍然難料。向大規(guī)模的市場過渡還有路要走，并且研究人士預(yù)測到2004年將有1080萬美國司機使用遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)，到2010年這一數(shù)字將增加到4400萬。如圖1所示，為刺激推廣應(yīng)用，汽車制造商正將重點放在利用無線網(wǎng)絡(luò)集成移動設(shè)備上。典型應(yīng)用包括通過藍(lán)牙和接口將蜂窩電話集成到能夠無線通訊的pda(個人數(shù)字助理)或筆記本電腦上。消費者對免提電話和計算的需求不只受到便捷因素的影響，而且受到安全問題和嚴(yán)格立法的驅(qū)動。
　　
除了基本的舒適和安全應(yīng)用之外，一個預(yù)示永久改變無線運算前景的新選擇領(lǐng)域正在推廣應(yīng)用。無線點對點電子付費系統(tǒng)將廣泛用于停車和通行費服務(wù)乃至免下車餐廳和加油站。衛(wèi)星廣播及流媒體內(nèi)容將迅速地受到歡迎，超過任何人的預(yù)期。無線網(wǎng)絡(luò)如藍(lán)牙可以用于鏈接汽車內(nèi)的若干系統(tǒng)，如動力傳動(powertrain)、制動系統(tǒng)、減震系統(tǒng)及后座娛樂系統(tǒng)，為使智能汽車概念超越電傳線控的范疇，采用了診斷技術(shù)和其它數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。
　　
高級快車的應(yīng)用、具有競爭力的產(chǎn)品版本以及更短的上市時間已將采用fpga的益處和遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)開發(fā)者的需要結(jié)合起來?，F(xiàn)在設(shè)計師可以基于迥然不同的三種技術(shù)：靜態(tài)隨機存儲器(sram)、閃存(flash)及抗熔存儲(antifuse), 來使用fpga。

基于sram的fpga代表著最大的市場份額，但也是當(dāng)前使用的最不安全的fpga架構(gòu)。由于基于一種易失性存儲技術(shù)，這類器件必須在加電時初始化或者設(shè)置。盡管這些特性使得基于sram的fpga容易更改編程，但同時它也具有重大的安全風(fēng)險，如服務(wù)遭拒絕、克隆或逆向設(shè)計。基于候選的非易失性技術(shù)的fpga，如antifuse 或flash則提供了一種更安全的解決方案。與基于sram的fpga不同，這類非易失性器件在加電時不需要比特流。取而代之的是，它們在以最終產(chǎn)品形式裝運之前可以進(jìn)行安全設(shè)置。為防止系統(tǒng)受到未經(jīng)授權(quán)的入侵、修改和篡改，了解所有可編程架構(gòu)的益處和潛在風(fēng)險至關(guān)重要。例如，一個黑客可以使基于sram-fpga的衛(wèi)星廣播控制臺接收機內(nèi)的用戶認(rèn)證機構(gòu)失靈，從而使一些未登記的用戶接入服務(wù)而不付費。這給公司基于預(yù)訂的收入模式的影響將是很嚴(yán)重的。

用于汽車遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)的fpga內(nèi)越來越多地執(zhí)行無線通訊協(xié)議，則給老練的黑客提供了新機會。一般認(rèn)為藍(lán)牙對于小型自組織網(wǎng)絡(luò)足夠安全，但藍(lán)牙對于較大型的移動網(wǎng)絡(luò)或匯款以及其它敏感信息的傳輸足夠安全嗎？藍(lán)牙的加密方案似乎有些弱點。這種128位密鑰長度的一串密碼在某些情況下采用常規(guī)的“強力”進(jìn)攻便可破解。在兩個藍(lán)牙器件初始化過程中采用pin碼也是一個潛在的安全問題。

彌補這些漏洞的解決方案在于安全的FPGA技術(shù)。安全的fpga可以用作實現(xiàn)硬件加密的工具以保護(hù)所有重要的點對點處理，如圖2所示。然而，只有當(dāng)該解決方案具有更清晰而不會造成誤解的說明后，才能真正實施。設(shè)計師需要意識到采用可配置的fpga系統(tǒng)極易受到擊破加密手段的攻擊。例如，入侵者通過截取基于sram的fpga內(nèi)的比特流可以攻破加密機構(gòu)，然后克隆器件和系統(tǒng)來制成拷貝，從而允許無限制的接入付費服務(wù)。系統(tǒng)采用可改編程的基于flash的fpga, 則提供了一種安全得多的解決方案。

此外，wi-fi標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)推薦了新的標(biāo)準(zhǔn)以彌合原先協(xié)議中的安全漏洞。新的ieee 802.11i是一個安全標(biāo)準(zhǔn)，它進(jìn)一步提高了ieee聯(lián)合wi-fi聯(lián)盟(wi-fi alliance)制定的wi-fi保護(hù)接入安全規(guī)范(wi-fi protected access security specification)所實現(xiàn)的認(rèn)證和加密效果。最為顯著的是，新的ieee 802.11i增添了一種被稱為高級加密標(biāo)準(zhǔn)(aes)的底層加密(ground-up encryption)標(biāo)準(zhǔn)，并且它可以在非易失性FPGA技術(shù)如flash或antifuse中安全地執(zhí)行而不必?fù)?dān)憂直接的物理泄密?；趕ram的fpga不適于這種類型的應(yīng)用，因為可以通過拒絕各種服務(wù)入侵來攻破反措施。有一種情況，可以通過將已受影響的比特流引入到設(shè)備，采用電池耗盡型方案使基于sram的便攜設(shè)備離線。

可能最讓人擔(dān)心的情況是日益增加的設(shè)計被偷竊以及因特網(wǎng)安全的威脅。特別是，一旦系統(tǒng)安全被擊破，大肆采用惡意或犯罪技術(shù)來進(jìn)行大量消費是不難的。對于專利設(shè)計最有效的保護(hù)措施是采用基于antifuse 或flash 的fpga來保護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)和汽車付費服務(wù)網(wǎng)關(guān)。只有在元件這一級提出基本的設(shè)計安全問題，才能在更高級別的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)上實施更先進(jìn)的安全措施。