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AUTOSAR KeyManager详细分析

AUTOSAR 4.4.0 版本密钥与证书管理模块技术分析

目录

• 1. 概述
• 2. KeyManager架构
  • 2.1 KeyManager在AUTOSAR架构中的位置
  • 2.2 架构说明
• 3. KeyManager模块结构
  • 3.1 模块组件详解
  • 3.2 配置项说明
• 4. KeyManager证书验证流程
  • 4.1 证书验证流程分析
• 5. KeyManager关键特性
  • 5.1 Crypto Key子模块特性
  • 5.2 Certificate子模块特性
  • 5.3 安全特性
• 6. 使用场景
  • 6.1 密钥更新场景
  • 6.2 证书验证场景
  • 6.3 证书链验证场景
  • 6.4 证书元素提取场景
• 7. 总结

1. 概述

AUTOSAR (汽车开放系统架构) 中的KeyManager (密钥管理器) 模块是基础软件层的重要组成部分，提供了密钥和证书管理的功能。本文档基于AUTOSAR 4.4.0版本规范，详细分析了KeyManager模块的架构、功能特性和实现机制。

KeyManager模块主要包含两个子模块：

• Crypto Key子模块：负责密钥的创建、更新和管理
• Certificate子模块：负责证书的存储、解析、验证和元素提取

这两个子模块共同为汽车电子控制单元(ECU)提供了完整的密钥和证书管理功能，支持安全通信、身份验证和数据加密等关键安全需求。

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2. KeyManager架构

2.1 KeyManager在AUTOSAR架构中的位置

下图展示了KeyManager在整个AUTOSAR架构中的位置及其与其他组件的关系：

2.2 架构说明

1. 应用层：应用软件组件通过RTE调用KeyManager提供的API来执行密钥和证书操作。

2. 运行时环境(RTE)：作为应用层和基础软件层之间的中间件，负责转发应用对KeyManager的调用。

3. 基础软件层：KeyManager作为基础软件层的一部分，提供密钥和证书管理功能。

   • Crypto Key子模块：包括密钥处理、生成、更新和验证功能
   • Certificate子模块：包括证书存储、解析、验证和元素提取功能

4. 依赖的其他BSW模块：

   • 加密服务管理器(CSM)：提供底层加密算法和操作
   • 非易失性存储器(NVM)：用于存储密钥和证书
   • 同步时间基础(STBM)：提供用于证书有效期验证的时间服务

5. 硬件抽象层：KeyManager通过CSM与密码硬件抽象层交互。

6. 硬件层：底层可能包含硬件安全模块(HSM)或安全硬件扩展(SHE)模块，提供安全存储和加密计算能力。

KeyManager在AUTOSAR架构中扮演着关键的安全组件角色，负责管理和保护车载系统中的敏感密钥材料和证书。它通过与CSM模块的紧密集成，确保密钥操作的安全执行，同时为应用层提供标准化的接口。

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3. KeyManager模块结构

KeyManager模块内部由多个组件组成，下图展示了其详细的结构和API：

3.1 模块组件详解

1. 主模块(KeyManager)：

   • 提供基本的初始化和反初始化功能
   • 包含主函数(KeyM_MainFunction)用于后台处理
   • 处理版本信息获取等通用功能

2. 密钥子模块(Crypto Key)：

   • 密钥操作API：提供密钥会话管理和更新功能

     • KeyM_Start(): 开始密钥更新会话
     • KeyM_Prepare(): 准备密钥更新操作
     • KeyM_Update(): 执行密钥更新
     • KeyM_Verify(): 验证密钥操作
     • KeyM_Finalize(): 完成密钥更新会话

   • 密钥处理器：处理OEM特定的密钥格式和操作

     • KeyM_KH_Prepare(): 处理特定格式的密钥准备数据
     • KeyM_KH_Update(): 处理特定格式的密钥更新数据

   • 密钥配置：定义密钥属性、处理器和目标引用等配置信息

3. 证书子模块(Certificate)：

   • 证书操作API：提供证书管理和验证功能

     • KeyM_SetCertificate(): 设置证书数据
     • KeyM_GetCertificateData(): 获取证书数据
     • KeyM_GetCertificateElement(): 提取证书元素
     • KeyM_VerifyCertificate(): 验证单个证书
     • KeyM_VerifyCertificates(): 验证两个相关证书
     • KeyM_VerifyCertificateChain(): 验证证书链

   • 证书回调：通知应用验证结果和元素提取结果

     • KeyM_CertificateVerifyCallbackNotification(): 验证完成回调
     • KeyM_CertificateElementCallbackNotification(): 元素提取完成回调

   • 证书配置：定义证书链、验证作业和元素等配置信息

4. CSM接口：KeyManager通过CSM接口执行底层密码操作

   • 密钥接口：用于密钥元素设置、密钥验证和密钥派生
   • 证书接口：用于证书解析和验证
   • 签名接口：用于签名验证操作

3.2 配置项说明

KeyManager模块提供了丰富的配置选项以满足不同的需求：

1. 密钥配置：

   • KeyMCryptoKey：定义密钥ID、名称、生成类型等属性
   • KeyMCryptoKeyHandler：定义自定义密钥处理器
   • KeyMCryptoKeyGenerationType：指定密钥生成方式(存储、派生等)
   • KeyMCryptoKeyCsmKeyTargetRef：关联目标CSM密钥引用
   • KeyMCryptoKeyCsmKeySourceDeriveRef：用于派生的源密钥引用
   • KeyMCryptoKeyCsmVerifyJobRef：关联验证作业引用

2. 证书配置：

   • KeyMCertificate：定义证书ID、存储位置等属性
   • KeyMCertificateChain：定义证书链关系
   • KeyMCertificateVerifyJob：关联CSM验证作业
   • KeyMCertificateSignatureExtractionJob：关联签名提取作业
   • KeyMCertificateElement：定义证书元素(如公钥、主题等)

这些配置项使KeyManager模块能够适应各种不同的安全需求和硬件环境。

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4. KeyManager证书验证流程

KeyManager的证书处理是其核心功能之一，下图展示了其典型的证书验证流程：

4.1 证书验证流程分析

1. 设置证书流程：

   • 应用调用KeyM_SetCertificate()提供证书数据
   • KeyManager将证书数据存储在指定位置
   • 通过CSM解析证书结构(Csm_CertificateParse())
   • 提取并存储证书元素以便后续使用

2. 单个证书验证流程：

   • 应用调用KeyM_VerifyCertificate()请求验证证书
   • KeyManager从STBM获取当前时间以检查证书有效期
   • 识别证书链关系并查找上级证书
   • 使用CSM验证证书签名(Csm_SignatureVerify())
   • 异步操作完成后通过回调通知应用验证结果

3. 证书链验证流程：

   • 应用调用KeyM_VerifyCertificateChain()提供证书链数据
   • KeyManager按照从上到下的顺序验证链中的每个证书：
     • 首先验证根证书自签名
     • 然后验证中间证书
     • 最后验证目标证书
   • 对每个证书检查有效期并验证签名
   • 完成整个链验证后通过回调通知应用结果

4. 证书元素提取流程：

   • 应用调用KeyM_GetCertificateElement()请求特定元素
   • KeyManager从已解析的证书中提取所需元素(如主题名、颁发者名、有效期、公钥等)
   • 将提取的元素数据返回给应用

这种分层的验证方法确保了证书的完整性和真实性，同时支持PKI(公钥基础设施)体系中的信任链模型。

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5. KeyManager关键特性

5.1 Crypto Key子模块特性

1. 会话式密钥操作：

   • 支持以会话方式进行密钥更新操作
   • 会话由KeyM_Start()开始，KeyM_Finalize()结束
   • 会话期间可执行多次密钥准备和更新操作

2. 灵活的密钥生成方式：

   • 支持直接存储密钥(KEYM_STORED_KEY)
   • 支持从共同密钥派生新密钥(KEYM_DERIVE_KEY)
   • 适应不同的密钥导入和生成场景

3. 密钥验证：

   • 提供密钥验证功能确保密钥完整性
   • 可配置验证作业以执行特定的验证操作

4. 自定义密钥处理器：

   • 支持OEM特定的密钥格式和处理逻辑
   • 通过密钥处理器API提供灵活的扩展点

5.2 Certificate子模块特性

1. 证书存储和管理：

   • 支持持久性和临时性证书存储
   • 管理证书链关系和层次结构

2. 证书验证：

   • 支持单个证书验证
   • 支持证书对验证
   • 支持完整证书链验证
   • 异步验证操作与回调通知

3. 证书元素提取：

   • 支持提取证书中的各种元素
   • 灵活的元素定义和访问机制

4. 证书解析优化：

   • 支持将解析结果存储在NVM中以提高性能
   • 避免每次启动时重复解析证书

5.3 安全特性

1. 密钥隔离：

   • 通过CSM接口确保密钥材料的安全处理
   • 支持在安全硬件(HSM/SHE)中存储敏感密钥

2. 证书链信任模型：

   • 实现PKI信任链模型
   • 支持从根证书到目标证书的完整验证路径

3. 时间验证：

   • 利用STBM模块验证证书有效期
   • 防止过期证书的使用

4. 异步处理：

   • 证书验证采用异步处理方式
   • 避免长时间加密操作阻塞系统

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6. 使用场景

KeyManager模块支持多种使用场景，主要包括：

6.1 密钥更新场景

// 开始密钥更新会话
Std_ReturnType result = KeyM_Start();
if (result == E_OK) {// 准备密钥更新uint8 buffer[256];uint16 bufferLength = 256;KeyM_Prepare(buffer, &bufferLength);// 更新特定密钥uint8 keyData[64] = { /* 密钥数据 */ };uint8 keyName[] = "SecureBootKey";KeyM_Update(keyData, 64, keyName, sizeof(keyName) - 1);// 验证密钥操作KeyM_Verify();// 完成会话并设置密钥有效KeyM_Finalize();
}

6.2 证书验证场景

// 设置证书
uint8 certData[1024] = { /* 证书数据 */ };
KeyM_CertificateIdType certId = 1;
KeyM_SetCertificate(certId, KEYM_CERT_STORE_TEMPORARY, certData, 1024);// 验证单个证书
KeyM_VerifyCertificate(certId);// 验证结果通过回调获取
void CertVerifyCallback(KeyM_CertificateIdType certId, KeyM_CertificateVerifyResultType result) {if (result == KEYM_CERT_VERIFICATION_OK) {// 证书验证成功} else {// 证书验证失败}
}

6.3 证书链验证场景

// 设置目标证书
KeyM_CertificateIdType targetCertId = 3;
KeyM_SetCertificate(targetCertId, KEYM_CERT_STORE_TEMPORARY, targetCertData, targetCertLength);// 准备证书链数据
KeyM_CertDataType certChain[2] = {{ intermediateCertData, intermediateCertLength },{ rootCertData, rootCertLength }
};// 验证完整证书链
KeyM_VerifyCertificateChain(targetCertId, certChain, 2);

6.4 证书元素提取场景

// 提取公钥
uint8 publicKey[256];
uint16 publicKeyLength = 256;
KeyM_GetCertificateElement(certId, KEYM_CERT_ELEMENT_PUBLIC_KEY, publicKey, &publicKeyLength);// 提取主题名
uint8 subject[128];
uint16 subjectLength = 128;
KeyM_GetCertificateElement(certId, KEYM_CERT_ELEMENT_SUBJECT, subject, &subjectLength);

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7. 总结

AUTOSAR KeyManager模块为车载电子控制单元提供了强大的密钥和证书管理能力，是实现车载安全通信和认证的重要基础设施。它的模块化设计、灵活配置和全面功能使其能够适应各种车载安全需求。

主要优势包括：

• 完整的密钥生命周期管理
• 基于PKI的证书验证机制
• 灵活的配置选项适应不同的安全需求
• 与AUTOSAR加密服务的无缝集成
• 支持安全硬件的使用以提高安全性

KeyManager模块通过提供标准化的密钥和证书管理接口，简化了车载安全功能的实现，同时确保了高水平的安全保护。在当前汽车电子系统日益增长的安全需求背景下，KeyManager模块的作用将变得越来越重要。