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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

目录

• 1. 概述
  • 1.1 文档范围
  • 1.2 加密栈简介
• 2. 加密栈架构
  • 2.1 整体架构
  • 2.2 加密操作流程
  • 2.3 用例分析
• 3. 配置结构
  • 3.1 配置类模型
• 4. 状态转换
  • 4.1 任务状态模型
• 5. 总结
  • 5.1 主要特性
  • 5.2 应用场景
  • 5.3 标准合规性

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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

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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：

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：

1. 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

2. RTE层：运行时环境，负责连接应用层与基础软件层

3. 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

4. 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：

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：

1. 应用通过调用Csm_Init()函数启动初始化流程
2. 加密服务管理器先初始化密钥管理器(KeyM_Init())
3. 然后初始化加密接口(CryIf_Init())
4. 加密接口继而初始化加密驱动(Crypto_Init())
5. 加密驱动初始化硬件安全模块和必要的硬件资源
6. 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：

1. 应用调用加密服务启动函数(如Csm_EncryptStart())
2. 加密服务管理器创建加密作业并分配资源
3. 请求相关密钥信息(KeyM_GetKey())
4. 调用加密接口的相应服务(CryIf_<Service>Start())
5. 加密接口转发请求到合适的加密驱动
6. 加密驱动启动实际的加密操作，可能在硬件上执行
7. 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：

1. 硬件完成加密操作后通知加密驱动
2. 加密驱动通过回调通知加密接口
3. 加密接口继而通知加密服务管理器
4. 加密服务管理器最终通过回调函数通知应用
5. 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：

1. 应用调用结果获取函数(Csm_<Service>Finish())
2. 请求沿着加密栈层次结构向下传递
3. 加密驱动从硬件获取最终结果
4. 结果沿着层次结构向上返回给应用
5. 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：

2.3.1 核心用例

加密栈提供以下核心加密服务：

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

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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：

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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：

1. CryIf_ConfigType：总体配置类

   • 包含通道、密钥和调度器配置

2. 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

3. CryIf_KeyConfigType：密钥配置

   • 将CryIf密钥ID映射到加密驱动密钥ID

4. 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：

1. Crypto_ConfigType：总体配置类

   • 包含驱动对象、密钥和原语信息配置

2. 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

3. 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

4. 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：

1. KeyM_ConfigType：总体配置类

   • 包含密钥和证书配置

2. 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

3. 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：

1. 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

2. 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

3. 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

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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：

4.1.1 基本状态

加密任务具有以下基本状态：

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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：

1. 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

2. 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

3. 关闭过程

   • IDLE状态的模块在系统关闭时转为UNINIT状态

4.1.3 错误处理

当任务处理过程中出现错误时：

1. 任务状态从PROCESSING转为ERROR
2. 错误信息通过错误码保存
3. 应用通过Csm_<Service>Finish()获取错误信息
4. 可能的错误原因包括：
   • 硬件故障
   • 参数错误
   • 算法不支持
   • 密钥无效

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5. 总结

AUTOSAR加密栈提供了一个全面、标准化的加密服务框架，使得汽车软件开发人员能够轻松地集成各种加密功能，而无需关心底层实现细节。它的分层架构设计使得各个组件之间的职责划分清晰，提高了系统的可维护性和扩展性。

5.1 主要特性

• 分层架构：通过CSM、CryIf、Crypto和KeyM的分层设计，实现了关注点分离
• 标准化接口：提供统一的API，简化应用开发
• 异步处理：支持非阻塞的加密操作，提高系统效率
• 全面的加密服务：支持对称/非对称加密、哈希、MAC、数字签名等
• 灵活的配置：通过结构化的配置类支持多种实现方式
• 硬件加速支持：可利用HSM提高性能和安全性

5.2 应用场景

AUTOSAR加密栈适用于多种汽车安全场景：

1. 安全通信：保护车内网络和车外通信的安全
2. 数据保护：加密存储敏感数据
3. 软件认证：验证软件更新的真实性
4. 安全启动：确保只有授权的软件能够运行
5. 访问控制：管理对敏感功能的访问权限

5.3 标准合规性

加密栈的设计符合AUTOSAR R4.4.0标准，确保了与其他AUTOSAR组件的兼容性和互操作性，同时也支持各种安全标准和最佳实践。通过标准化的接口和灵活的配置，加密栈可以适应不同的安全需求和硬件平台。