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news 来源：原创 2025/5/6 7:03:09

AUTOSAR 加密栈 (Crypto Stack) 需求规范详解

基于 AUTOSAR Release 4.4.0 标准的深入分析

1. 概述

1.1 文档范围

本文档详细规范了AUTOSAR加密栈的需求，包括加密服务管理器(Csm)、加密接口(CryIf)、加密驱动(Crypto)和密钥管理器(KeyM)。这四个模块共同构成了AUTOSAR标准中的加密功能框架，为应用软件提供标准化的加密服务接口。

1.2 加密栈简介

AUTOSAR加密栈是一个分层设计的加密服务框架，提供了包括对称加密、非对称加密、哈希计算、数字签名和消息认证码等功能。它将加密算法的实现细节与应用软件分离，使开发人员可以通过统一的接口访问多种加密功能，而无需关心底层实现。

加密栈的主要优势：

标准化接口：提供统一的API，简化应用软件开发
平台独立性：支持不同的硬件平台和加密实现
安全通信支持：为SecOC模块提供加密服务支持
灵活的加密算法选择：支持多种加密算法和模式
硬件加速支持：可利用HSM（硬件安全模块）提升性能

2. 加密栈架构

2.1 整体架构

下图展示了AUTOSAR加密栈的整体架构，包括各模块之间的层次关系和交互方式：

在这里插入图片描述

2.1.1 架构分层

加密栈采用了清晰的分层架构，从上到下包括：

应用层：包含软件组件(SWC)和安全通信模块(SecOC)等，它们是加密服务的使用者
- SWC：各种应用软件组件，需要加密服务来保护数据或进行安全通信
- SecOC：安全车载通信模块，负责对车载网络通信进行安全保护
RTE层：运行时环境，负责连接应用层与基础软件层
加密栈层：由四个主要模块组成
- 加密服务管理器(Csm)：为应用提供统一的加密服务API，管理加密任务队列
- 密钥管理器(KeyM)：负责密钥的创建、存储、分发和生命周期管理
- 加密接口(CryIf)：提供对不同加密驱动的标准化接口
- 加密驱动(Crypto)：实际实现加密算法，可能是软件实现或硬件加速
硬件层：包括各种硬件资源
- 硬件安全模块(HSM)：提供硬件加密加速和安全密钥存储
- 真随机数生成器(TRNG)：提供高质量随机数
- CPU：用于软件加密实现

2.1.2 关键组件功能

加密服务管理器(Csm)
- 为上层应用提供统一的API接口
- 管理加密作业和调度队列
- 处理加密请求的优先级
密钥管理器(KeyM)
- 管理密钥的完整生命周期
- 提供安全的密钥存储机制
- 支持多种密钥类型和安全级别
加密接口(CryIf)
- 抽象底层加密驱动的差异
- 路由加密请求到合适的驱动程序
- 支持多驱动并存的场景
加密驱动(Crypto)
- 实现具体的加密算法
- 与硬件安全模块交互
- 支持多种加密原语和模式

2.2 加密操作流程

下图描述了加密栈中一个典型的加密操作序列，展示了各组件之间的交互过程：

在这里插入图片描述

2.2.1 初始化流程

加密栈的初始化遵循自下而上的顺序进行：

应用通过调用Csm_Init()函数启动初始化流程
加密服务管理器先初始化密钥管理器(KeyM_Init())
然后初始化加密接口(CryIf_Init())
加密接口继而初始化加密驱动(Crypto_Init())
加密驱动初始化硬件安全模块和必要的硬件资源
初始化结果沿着相反的路径返回给应用

这种顺序确保了在使用加密服务之前，所有必要的组件都已正确初始化。

2.2.2 加密操作请求

加密操作采用异步方式处理，主要步骤包括：

应用调用加密服务启动函数(如Csm_EncryptStart())
加密服务管理器创建加密作业并分配资源
请求相关密钥信息(KeyM_GetKey())
调用加密接口的相应服务(CryIf_<Service>Start())
加密接口转发请求到合适的加密驱动
加密驱动启动实际的加密操作，可能在硬件上执行
返回PENDING状态，表示操作正在进行

2.2.3 操作完成处理

加密操作完成后的回调通知流程：

硬件完成加密操作后通知加密驱动
加密驱动通过回调通知加密接口
加密接口继而通知加密服务管理器
加密服务管理器最终通过回调函数通知应用
各层级通知确认完成整个回调链

2.2.4 结果获取

应用获取加密操作结果的流程：

应用调用结果获取函数(Csm_<Service>Finish())
请求沿着加密栈层次结构向下传递
加密驱动从硬件获取最终结果
结果沿着层次结构向上返回给应用
完成整个加密操作过程

2.3 用例分析

下图展示了加密栈提供的主要用例和与外部组件的交互关系：

在这里插入图片描述

2.3.1 核心用例

加密栈提供以下核心加密服务：

对称加密/解密
- 支持多种算法如AES
- 支持多种模式：ECB、CBC、CFB、OFB、GCM等
- 适用于高效率数据保护场景
非对称加密/解密
- 支持RSA和椭圆曲线算法(ECC)
- 提供ECIES等集成加密方案
- 适用于密钥交换和数据保护
消息认证码(MAC)
- 支持HMAC、CMAC、GMAC等
- 确保消息完整性和来源认证
- 适用于网络通信保护
数字签名
- 基于非对称加密实现
- 支持ECDSA等算法
- 适用于软件认证和安全启动
哈希计算
- 提供安全哈希算法
- 用于数据完整性校验
- 支持其他加密操作
随机数生成
- 提供高质量随机数
- 支持加密密钥生成
- 可利用硬件TRNG增强安全性
密钥管理
- 密钥生成、导入和导出
- 密钥存储和保护
- 密钥生命周期管理
密钥交换
- 支持安全密钥分发
- 实现密钥协商协议
- 如ECDH(椭圆曲线迪菲-赫尔曼)协议

2.3.2 用例关联分析

**应用软件组件(SWC)**可以访问所有加密服务
**安全通信模块(SecOC)**主要使用对称加密、MAC、数字签名和哈希功能
系统管理员负责密钥管理的配置
**硬件安全模块(HSM)**提供对加密运算、数字签名和随机数生成的硬件加速

3. 配置结构

3.1 配置类模型

下图展示了加密栈各模块的配置类结构及其相互关系：

3.1.1 CSM配置类

加密服务管理器配置通过以下类实现：

Csm_ConfigType：总体配置类，包含所有CSM配置
- 包含通道、任务、队列和回调函数的配置指针
- 作为模块初始化的主要输入
Csm_ChannelConfigType：通道配置
- 定义通道ID和对应的CryIf通道ID
- 配置通道的回调通知方式
Csm_JobConfigType：任务配置
- 定义任务ID、优先级和算法族
- 将任务与特定通道关联起来
- 包含任务原语信息
Csm_QueueInfoType：队列信息
- 管理队列指针和队列大小
- 支持任务的排队和调度
Csm_JobPriorityQueueConfigType：优先级队列配置
- 管理不同优先级的任务队列
- 实现任务的优先级调度

3.1.2 CryIf配置类

加密接口的配置通过以下类实现：

CryIf_ConfigType：总体配置类
- 包含通道、密钥和调度器配置
CryIf_ChannelConfigType：通道配置
- 将CryIf通道映射到特定的加密驱动对象
- 包含驱动对象索引信息
CryIf_KeyConfigType：密钥配置
- 将CryIf密钥ID映射到加密驱动密钥ID
CryIf_DispatcherConfigType：调度器配置
- 关联调度器ID和加密驱动ID
- 管理多驱动场景下的请求分发

3.1.3 Crypto配置类

加密驱动的配置通过以下类实现：

Crypto_ConfigType：总体配置类
- 包含驱动对象、密钥和原语信息配置
Crypto_DriverObjectConfigType：驱动对象配置
- 定义支持的算法族和模式
- 设置驱动优先级和密钥长度限制
Crypto_KeyConfigType：密钥配置
- 定义密钥ID、元素和有效性
- 配置密钥长度和处理方式
Crypto_PrimitiveInfoType：原语信息
- 定义支持的算法族和模式
- 配置次要支持的算法族

3.1.4 KeyM配置类

密钥管理器的配置通过以下类实现：

KeyM_ConfigType：总体配置类
- 包含密钥和证书配置
KeyM_KeyType：密钥配置
- 定义密钥ID、存储类型和用途
- 配置密钥有效性和长度
- 关联密钥元素ID
KeyM_CertificateType：证书配置
- 定义证书ID和相关密钥
- 包含证书数据和长度信息

3.1.5 配置类关联关系

各模块配置类之间存在以下关联关系：

Csm与CryIf通道映射：
- Csm_ChannelConfigType与CryIf_ChannelConfigType一一对应
- 实现CSM层与CryIf层的通道关联
CryIf与Crypto通道映射：
- CryIf_ChannelConfigType与Crypto_DriverObjectConfigType一一对应
- 实现CryIf层与Crypto层的通道关联
密钥映射链：
- CryIf_KeyConfigType与Crypto_KeyConfigType一一对应
- Crypto_KeyConfigType与KeyM_KeyType一一对应
- 实现从CSM到KeyM的密钥映射关系

4. 状态转换

4.1 任务状态模型

下图描述了加密任务的状态转换模型，展示了任务在处理过程中的各种状态变化：

在这里插入图片描述

4.1.1 基本状态

加密任务具有以下基本状态：

未初始化(UNINIT)
- 模块尚未初始化的状态
- 不能接受任何加密请求
- 系统启动时的初始状态
空闲(IDLE)
- 模块已初始化但没有活动任务
- 可以接受新的加密请求
- 资源处于可用状态
排队等待(QUEUED)
- 任务已创建但尚未开始处理
- 按照优先级排队等待
- 可能被更高优先级任务抢占
正在处理(PROCESSING)
- 任务正在被硬件或软件处理
- 异步等待完成
- 任务不能被取消
完成(FINISHED)
- 任务处理已完成
- 结果待获取
- 临时状态，获取结果后转为IDLE
错误(ERROR)
- 任务处理过程中出现错误
- 错误信息待获取
- 临时状态，获取错误信息后转为IDLE

4.1.2 状态转换流程

加密任务的状态转换遵循以下流程：

初始化过程
- 系统启动进入UNINIT状态
- 执行Csm_Init()完成初始化，转为IDLE状态
任务处理流程
- IDLE状态收到Csm_<Service>Start()请求，转为QUEUED状态
- QUEUED状态的任务被调度执行，转为PROCESSING状态
- PROCESSING状态的任务完成处理，根据结果转为FINISHED或ERROR状态
- 应用调用Csm_<Service>Finish()获取结果，转回IDLE状态
关闭过程
- IDLE状态的模块在系统关闭时转为UNINIT状态