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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

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。

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：

在这里插入图片描述

2.2 架构说明

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。
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。
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
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
硬件抽象层：KeyManager通过CSM与密码硬件抽象层交互。
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。

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：

在这里插入图片描述

3.1 模块组件详解

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
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
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
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：

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
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。

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：

在这里插入图片描述

4.1 证书验证流程分析

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
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
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
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。

5. KeyManager关键特性

5.1 Crypto Key子模块特性

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
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
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
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

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
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
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
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

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
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
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
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

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);