基于FPGA設計安全的汽車通信網(wǎng)絡

　　汽車工業(yè)正在經(jīng)歷一場無線技術革命，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)絡連接正設法進入汽車領域，設計師面臨新通信標準實施的挑戰(zhàn)。許多已經(jīng)習慣于漫長開發(fā)周期的設計師, 現(xiàn)在則在為迅速給新型車輛配備用戶需求的電子設備而進行競爭。為調整上市時間并駕馭出現(xiàn)的多個標準，設計師正轉向采用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的汽車遠程信息系統(tǒng)，幾乎沒有設計師能夠充分明白他們選擇的fpga在安全上意味著什么。構建安全的網(wǎng)絡首先要設計安全的系統(tǒng)，而且選擇適當?shù)脑赡軐Υ笮途W(wǎng)絡和相關預訂收入有重要影響。

　　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程信息系統(tǒng)用戶群，多種無線傳輸線路正應用于汽車，包括：802.11、藍牙(bluetooth)、地面數(shù)字及衛(wèi)星技術。然而，相同的技術在實現(xiàn)汽車遠程信息系統(tǒng)網(wǎng)絡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在車輛上推廣應用的頭等因素。廠商無法提供可互操作的高度安全的網(wǎng)絡，以及對付費使用的設備進行驗證也存在失敗的可能，則是禍因。oem、基礎架構開發(fā)商及內(nèi)容提供商已經(jīng)在汽車遠程信息系統(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，并且研究人士預測到2004年將有1080萬美國司機使用遠程信息系統(tǒng)，到2010年這一數(shù)字將增加到4400萬。如圖1所示，為刺激推廣應用，汽車制造商正將重點放在利用無線網(wǎng)絡集成移動設備上。典型應用包括通過藍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格立法的驅動。

　　除了基本的舒適和安全應用之外，一個預示永久改變無線運算前景的新選擇領域正在推廣應用。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，超過任何人的預期。無線網(wǎng)絡如藍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，采用了診斷技術和其它數(shù)據(jù)傳輸技術。

　　圖 1 一種基于fpga的汽車遠程信息系統(tǒng)可讓設計師將單防篡改硬件平臺標準化。該平臺可以定制，在制造周期的末期可以大范圍確定產(chǎn)品版本，更為重要的是其經(jīng)銷商售出后可以現(xiàn)場升級。

　　圖2 隨著藍牙技術快步進入汽車應用，安全要求變得日益重要。 fpga提供了一種成本效益較高的方法，為當前的數(shù)據(jù)信道協(xié)議實現(xiàn)了可硬件加密的解決方案。

　　高級快車的應用、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的益處和遠程信息系統(tǒng)開發(fā)者的需要結合起來?，F(xiàn)在設計師可以基于迥然不同的三種技術：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，但也是當前使用的最不安全的fpga架構。由于基于一種易失性存儲技術，這類器件必須在加電時初始化或者設置。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險，如服務遭拒絕、克隆或逆向設計?；诤蜻x的非易失性技術的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行安全設置。為防止系統(tǒng)受到未經(jīng)授權的入侵、修改和篡改，了解所有可編程架構的益處和潛在風險至關重要。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)的用戶認證機構失靈，從而使一些未登記的用戶接入服務而不付費。這給公司基于預訂的收入模式的影響將是很嚴重的。

　　用于汽車遠程信息系統(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。一般認為藍牙對于小型自組織網(wǎng)絡足夠安全，但藍牙對于較大型的移動網(wǎng)絡或匯款以及其它敏感信息的傳輸足夠安全嗎?藍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”進攻便可破解。在兩個藍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。安全的fpga可以用作實現(xiàn)硬件加密的工具以保護所有重要的點對點處理，如圖2所示。然而，只有當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，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。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標準組織已經(jīng)推薦了新的標準以彌合原先協(xié)議中的安全漏洞。新的ieee 802.11i是一個安全標準，它進一步提高了ieee聯(lián)合wi-fi聯(lián)盟(wi-fi alliance)制定的wi-fi保護接入安全規(guī)范(wi-fi protected access security specification)所實現(xiàn)的認證和加密效果。最為顯著的是，新的ieee 802.11i增添了一種被稱為高級加密標準(aes)的底層加密(ground-up encryption)標準，并且它可以在非易失性fpga技術如flash或antifuse中安全地執(zhí)行而不必擔憂直接的物理泄密?；趕ram的fpga不適于這種類型的應用，因為可以通過拒絕各種服務入侵來攻破反措施。有一種情況，可以通過將已受影響的比特流引入到設備，采用電池耗盡型d

　　os方案使基于sram的便攜設備離線。

　　可能最讓人擔心的情況是日益增加的設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來進行大量消費是不難的。對于專利設計最有效的保護措施是采用基于antifuse 或flash 的fpga來保護無線網(wǎng)絡和汽車付費服務網(wǎng)關。只有在元件這一級提出基本的設計安全問題，才能在更高級別的系統(tǒng)和網(wǎng)絡上實施更先進的安全措施.