智能互聯汽車的網絡安全技術及應用（簡體書）

智能互聯作為目前汽車產業的主要推動力促使汽車的電子信息化技術的大量引進到這個傳統上以機械動力為主的產業。伴隨著全球移動互聯時代的到來,汽車作為潛在最大的移動信息平臺,以及汽車自動駕駛日益增長的對車外信息接入的需求，汽車的信息化越來越受到從信息產業到傳統汽車業的高度重視。汽車與外界的接入方式也由簡單的收音機接收和加密遙控鑰匙逐步走向更高帶寬和更可靠實時的藍牙，WIFI等多種互聯方式。同時隨著汽車智能化的快速發展和市場需求，更多的電子模塊快速引入，一方面帶來了智能化，舒適度以及安全性的提高，另一方面也使得車內網絡架構愈發複雜和易受攻擊。汽車及其內部配件作為高價值產品也吸引了一些攻擊者以此非法牟利的興趣。 汽車的開放互連以及內部網絡架構進化的雙重需求驅動汽車網絡安全成為高度重要的應用技術，汽車的網絡信息安全也是保證汽車本身功能安全的前提，其市場的成長性和需求迫切性使得汽車業界不斷投入基礎研究和應用開發。廣大的汽車電子工程師迫切需要瞭解及研究汽車網絡安全的系統知識。 本書首先將詳細闡述整車對安全架構及技術的需求及未來發展趨勢，接著總結當前汽車網絡安全領域的技術進展和汽車網絡安全方面的已有標準及應用指南，最後本書將介紹若干汽車網絡安全的應用實例。

工業和信息化部人才交流中心（以下簡稱中心）創建於1985年1月，1992年10月成為獨立事業法人單位，工業和信息化部所屬的黨政機關一類事業單位(正局級)，是經中央機構編制委員會辦公室批准，國家事業單位登記管理局註冊登記，是工業和信息化部在人才培養、人才交流、智力引進、國際交流、會議展覽等方面的支撐機構；也是人力資源和社會保障部、工業和信息化部“全國信息專業技術人才知識更新工程”及“信息化工程師”項目實施承辦單位。

序一
中國經濟已經由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期。習近平總書記在党的十九大報告中明確指出，要堅持新發展理念，主動參與和推動經濟全球化進程，發展更高層次的開放型經濟，不斷壯大我國的經濟實力和綜合國力。
對於我國的集成電路產業來說，當前正是一個實現產業跨越式發展的重要戰略機遇期，前景十分光明，挑戰也十分嚴峻。在政策層面，2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈，提出到2030年產業鏈主要環節達到國際先進水平，實現跨越發展的發展目標；2015年，國務院提出“中國製造2025”，將集成電路產業列為重點領域突破發展首位；2016年，國務院頒佈《“十三五”國家信息化規劃》，提出構建現代信息技術和產業生態體系，推進核心技術超越工程，其中集成電路被放在了首位。在技術層面，目前全球集成電路產業已進入重大調整變革期，中國集成電路技術創新能力和中高端芯片供給水平正在提升，中國企業設計、封測水平正在加快邁向第一陣營。在應用層面，5G移動通信、物聯網、人工智能等技術逐步成熟，各類智能終端、物聯網、汽車電子及工業控制領域的需求將推動集成電路的穩步增長，因此集成電路產業將成為這些產品創新發展的戰略制高點。
展望“十三五”，中國集成電路產業必將迎來重大發展，特別是黨的十九大提出要加快建設製造強國，加快發展先進製造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合等新的要求，給集成電路發展開拓了新的發展空間，使得集成電路產業由技術驅動模式轉化為需求和效率優先模式。在這樣的大背景下，通過高層次的全球合作來促進我國國內集成電路產業的崛起，將成為我們發展集成電路的一個重要抓手。
在推進集成電路產業發展的過程中，建立創新體系、構建產業競爭力，最終都要落實在人才上。人才培養是集成電路產業發展的一個核心組成部分，我們的政府、企業、科研和出版單位對此都承擔著重要的責任和義務。所以我們非常支持工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司、電子工業出版社共同組織出版這套“物聯網與人工智能應用開發叢書”。這套叢書集中了眾多一線工程師和技術人員的集體智慧和經驗，並且經過了行業專家學者的反復論證。我希望廣大讀者可以將這套叢書作為日常工作中的一套工具書，指導應用開發工作，還能夠以這套叢書為基礎，從應用角度對我們未來產業的發展進行探索，並與中國的發展特色緊密結合，服務中國集成電路產業的轉型升級。

工業和信息化部電子信息司司長
2018年1月

序二
隨著摩爾定律逐步逼近極限，以及雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新興應用領域的興起，細分領域競爭格局加快重塑，圍繞資金、技術、產品、人才等全方位的競爭加劇，當前全球集成電路產業進入了發展的重大轉型期和變革期。
自2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈以來，隨著“中國製造2025”“互聯網+”和大數據等國家戰略的深入推進，國內集成電路市場需求規模進一步擴大，產業發展空間進一步增大，發展環境進一步優化。在市場需求拉動和國家相關政策的支持下，我國集成電路產業繼續保持平穩快速、穩中有進的發展態勢，產業規模穩步增長，技術水平持續提升，資本運作漸趨活躍，國際合作層次不斷提升。
集成電路產業是一個高度全球化的產業，發展集成電路需要強調自主創新，也要強調開放與國際合作，中國不可能關起門來發展集成電路。
集成電路產業的發展需要知識的不斷更新。這一點隨著雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新業務、新平臺的不斷出現，已經顯得越來越重要、越來越迫切。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的“物聯網與人工智能應用開發叢書”，是我們產業開展國際知識交流與合作的一次有益嘗試。我們希望看到更多國內外企業持續為我國集成電路產業的人才培養和知識更新提供有效的支撐，通過各方的共同努力，真正實現中國集成電路產業的跨越式發展。
2018年1月

序三
儘管有些人認為全球集成電路產業已經邁入成熟期，但隨著新興產業的崛起，集成電路技術還將繼續演進，並長期扮演核心關鍵角色。事實上，到現在為止還沒有出現集成電路的替代技術。
中國已經成為全球最大的集成電路市場，產業佈局基本合理，各領域進步明顯。2016年，中國集成電路產業出現了三個里程碑事件：第一，中國集成電路產業第一次出現製造、設計、封測三個領域銷售規模均超過1000億元，改變了多年來始終封測領頭，設計和製造跟隨的局面；第二，設計業超過封測業成為集成電路產業最大的組成部分，這是中國集成電路產業向好發展的重要信號；第三，中國集成電路製造業增速首次超過設計業和封測業，達到最快。隨著中國經濟的增長，中國集成電路產業的發展也將繼續保持良好態勢。未來中國將保持世界電子產品生產大國的地位，對集成電路的需求還會維持在高位。與此同時，我們也必須認識到，國內集成電路的自給率不高，在很長一段時間內對外依存度會停留在較高水平。
我們要充分利用當前物聯網、人工智能、大數據、雲計算加速發展的契機，實現我國集成電路產業的跨越式發展，一是要對自己的發展有清醒的認識；二是要保持足夠的定力，不忘初心、下定決心；三是要緊緊圍繞產品，以產品為中心，高端通用芯片必須面向主戰場。
產業要發展，人才是決定性因素。目前我國集成電路產業的人才情況不容樂觀，人才缺口很大，人才數量和質量均需大幅度提升。與市場、資本相比，人才的缺失是中國集成電路產業面臨的最大變量。人才的成長來自知識的更新和經驗的積累。我國一直強調產學研結合、全價值鏈推動產業發展，加強企業、研究機構、學校之間的交流合作，對於集成電路產業的人才培養和知識更新有非常正面的促進作用。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的這套“物聯網與人工智能應用開發叢書”，內容涉及安全應用與微控制器固件開發、電機控制與USB技術應用、車聯網與電動汽車電池管理、汽車控制技術應用等物聯網與人工智能應用開發的多個方面，對於專業技術人員的實際工作具有很強的指導價值。我對參與叢書編寫的專家、學者和工程師們表示感謝，並衷心希望能夠有越來越多的國際優秀企業參與到我國集成電路產業發展的大潮中來，實現全球技術與經驗和中國市場需求的融合，支持我國產業的長期可持續發展。

魏少軍 教授
清華大學微電子所所長
2018年1月

序四
千里之行 始於足下
人工智能與物聯網、大數據的完美結合，正在成為未來十年新一輪科技與產業革命的主旋律。隨之而來的各個行業對計算、控制、連接、存儲及安全功能的強勁需求，也再次把半導體集成電路產業推向了中國乃至全球經濟的風口浪尖。
歷次產業革命所帶來的衝擊往往是顛覆性的改變。當我們正為目不暇接的電子信息技術創新的風起雲湧而喝彩，為龐大的產業資金在政府和金融機構的熱推下，正以前所未有的規模和速度投入集成電路行業而驚歎的同時，不少業界有識之士已經敏銳地意識到，構成並驅動即將到來的智能化社會的每一個電子系統、功能模塊、底層軟件乃至檢測技術都面臨著巨大的量變與質變。毫無疑問，一個以集成電路和相應軟件為核心的電子信息系統的深度而全面的更新換代浪潮正在向我們走來。
如此的產業巨變不僅引發了人工智能在不遠的將來是否會取代人類工作的思考，更加現實而且緊迫的問題在於，我們每一個人的知識結構和理解能力能否跟得上這一輪技術革新的發展步伐？內容及架構更新相對緩慢的傳統教材以及漫無邊際的網絡資料，是否足以為我們及時勾勒出物聯網與人工智能應用的重點要素？在如今僅憑獨到的商業模式和靠免費獲取的流量，就可以瞬間增加企業市值的IT盛宴裡，我們的工程師們需要靜下心來思考在哪些方面練好基本功，才能在未來翻天覆地般的技術變革時代立於不敗之地。
帶著這些問題，我們在政府和國內眾多知名院校的熱心支持與合作下，精心選題，推敲琢磨，策劃了這一套以物聯網與人工智能的開發實踐為主線，以集成電路核心器件及相應軟件開發的最新應用為基礎的科技系列叢書，以期對在人工智能新時代所面對的一些重要技術課題提出抛磚引玉式的線索和思路。
本套叢書的準備工作始終得到了工業和信息化部電子信息司刁石京司長，國家集成電路產業投資基金股份有限公司丁文武總裁，清華大學微電子所所長魏少軍教授，工業和信息化部人才交流中心王希征主任、李甯副主任，電子工業出版社黨委書記、社長王傳臣的肯定與支持，恩智浦半導體的任霞女士、張伊雯女士、陳劼女士，以及恩智浦半導體各個產品技術部門的技術專家們為叢書的編寫組織工作付出了大量的心血，電子工業出版社的董亞峰先生、徐薔薇女士為叢書的編輯出版做了精心的規劃。著書育人，功在後世，借此機會表示衷心的感謝。
未來已來，新一代產業革命的大趨勢把我們推上了又一程充滿精彩和想像空間的科技之旅。在憧憬人工智能和物聯網即將給整個人類社會帶來的無限機遇和美好前景的同時，打好基礎，不忘初心，用知識充實腳下的每一步，又何嘗不是一個主動迎接未來的良好途徑？

寫於2018年拉斯維加斯CES科技展會現場

前言
汽車產業的創新越來越依賴於相關電子電器的創新，而站在迅速發展的汽車產業前沿的汽車電子產業的發展創新，使汽車從簡單的交通工具演變成個性化的智能互聯移動終端。V2X通信、遠程信息處理、中央網關和多標準數字廣播接收等車載裝置的使用，以及車輛門禁無線技術、近場通信技術（NFC）、車載雷達和高級駕駛員輔助系統（ADAS）等先進技術的引入也大大推動了汽車智能化方面的發展創新。
所有這些電子裝置的使用和技術的引入為駕駛員帶來巨大的便利，提高了駕駛舒適性、便捷性、安全性和效率，同時車輛的無線接口也需要將這些“互聯汽車”的車載系統與外部網絡（如互聯網）連接起來，通過支持新的功能和服務，加強客戶體驗，但這種連接功能也讓“互聯汽車”容易遭到黑客攻擊。事實上，早在多年前，有幾項研究就已經對黑客攻擊汽車的可能性提出過警告，而最近，黑客其實也表現出他們能實現對車輛

第1章 汽車的智能互聯和網絡互聯技術 001
1.1 萬物互聯的世界 004
1.1.1 移動互聯網及其特點 005
1.1.2 物聯網 006
1.1.3 車聯網 007
1.1.4 汽車的智能互聯 009
1.2 汽車車載網絡總線架構的演進 010
1.2.1 傳統分布式架構 011
1.2.2 混合式架構 013
1.2.3 中央計算式架構 014
1.2.4 基於五大區塊域的汽車架構 015
1.2.5 實現模塊化的優勢 016
1.2.6 深入瞭解基於域的汽車架構 016
1.3 汽車的網絡互聯技術 023
1.3.1 汽車車內網―車載網絡 023
1.3.2 汽車與外界互聯―無線連接技術 060
1.3.3 車輛連接技術展望 071
第2章 汽車網絡面臨的安全挑戰 077
2.1 電子化是把雙刃劍 079
2.2 針對汽車的攻擊的起因 081
2.3 針對汽車攻擊的方式及案例 083
2.3.1 通過車載信息娛樂系統的無線接入的攻擊 085
2.3.2 通過門禁系統的無線接入的攻擊 086
2.3.3 通過OBDII非法接入車載總線網絡 089
2.3.4 對ECU的破解 090
第3章 汽車網絡安全架構及應用實例 093
3.1 縱深防禦架構―4+1安全框架 095
3.1.1 第1層―安全的接口 096
3.1.2 第2層―安全的網關 097
3.1.3 第3層――安全的網絡 098
3.1.4 第4層―安全的處理 099
3.1.5 第+1層―安全的汽車門禁 100
3.1.6 應用層次及應用順序 100
3.2 網關 101
3.2.1 傳統網關 101
3.2.2 車載網關 103
3.3 安全MCU 124
3.3.1 安全訪問和安全存儲 124
3.3.2 安全啟動 137
3.3.3 加解密及消息認證 144
3.3.4 Flash數據保護 146
3.4 安全的網絡―搭載網絡安全功能的收發器 148
3.4.1 欺騙、篡改和泛洪攻擊 149
3.4.2 對策 150
3.4.3 搭載網絡安全功能的智能CAN收發器已經上市 152
3.5 安全加密單元eSE 152
3.5.1 全球平臺國際標準組織 155
3.5.2 eSE在汽車上的應用 157
3.6 汽車安全門禁系統 160
3.6.1 汽車安全門禁系統的發展歷程 160
3.6.2 防盜裝置參考標準 163
3.6.3 傳統安全汽車門禁系統介紹 164
第4章 汽車網絡安全的技術需求分析 189
4.1 風險分析 192
4.2 網絡安全保障技術與措施 194
4.2.1 算法簡介及分類 194
4.2.2 對稱加密算法簡介：單個（機密）密鑰 195
4.2.3 非對稱加密算法簡介：公開密鑰密碼體制 197
4.2.4 各個加密算法的加密強度 200
4.2.5 其他安全算法及安全措施簡介 201
4.2.6 對於密鑰的管理 207
4.2.7 密鑰的安全存儲及攻擊手段 210
4.2.8 產品信息安全等級評估標準 212
第5章 汽車網絡安全技術法規標準 225
5.1 國際信息安全技術法規標準 228
5.1.1 國際信息安全相關機構 228
5.1.2 國際信息安全管理標準體系 229
5.1.3 國際技術與工程標準 235
5.2 國內信息安全法規標準 242
5.2.1 國內信息安全相關機構 242
5.2.2 國內信息安全法規與標準 243
5.3 汽車相關信息安全標準與指南 249
5.3.1 美國汽車行業信息安全標準與指南 249
5.3.2 歐洲汽車行業信息安全標準與指南 257
5.3.3 日本汽車行業信息安全標準與指南 268
5.3.4 國際汽車行業信息安全標準與指南 268
5.3.5 信任計算組―信任平臺模塊（TPM） 270
5.3.6 SHE/HSM/TPM比較 271
5.3.7 中國汽車行業信息安全標準與指南 272
第6章 網絡安全解決方案案例分析 283
6.1 基於以太網的安全車載中央網關 284
6.1.1 整體架構 284
6.1.2 主要組件 286
6.2 防中繼汽車門禁系統解決方案 296
6.2.1 帶有運動傳感器檢測的智能鑰匙解決方案 298
6.2.2 基於超寬帶UWB技術的汽車門禁系統方案 301
6.3 基於eSE的 4G-LTE通信模塊（TCU） 304
6.3.1 應用處理芯片i.MX6DL 305
6.3.2 eSE芯片NCJ38A0HN 307
6.4 基於eSE的網絡安全的V2X 收發模塊方案 309