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整车 FOTA 信息安全方案

谈思实验室

2026年7月6日 17:38
上海

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随着汽车智能化与网联化的发展，整车 FOTA（Firmware Over-The-Air）功能日益普及。FOTA 使得车辆能够通过无线网络远程更新固件，提升车辆性能、修复漏洞等。然而，这一过程面临诸多信息安全风险，如 FOTA 包被篡改、通信被窃听或劫持、本地存储被非法访问等。因此，构建一套完善的信息安全方案至关重要。

FOTA 包的完整性、合法性与机密性保障

（一）数字签名算法

采用非对称加密算法中的 RSA （Rivest–Shamir–Adleman）算法对 FOTA 包进行签名。RSA 算法基于大整数分解难题，具有较高的安全性。

密钥生成

首先生成一对 RSA 密钥，包括公钥和私钥。私钥由汽车制造商的安全团队在安全环境下生成并妥善保管，公钥则嵌入到车辆的 FOTA 验证系统以及 FOTA 后台服务器中。

生成密钥时，选择两个大素数 p 和 q，计算 n = p \* q，然后计算欧拉函数 φ(n)=(p - 1)(q - 1)。选取一个整数 e，满足 1 < e < φ(n)且 gcd(e, φ(n)) = 1（gcd 表示最大公约数），通过扩展欧几里得算法计算出 d，使得 ed ≡ 1 (mod φ(n))。公钥为 (e, n)，私钥为 (d, n)。

签名步骤

对 FOTA 包进行哈希运算，采用 SHA-256（Secure Hash Algorithm 256-bit）算法。SHA-256 能够将任意长度的数据转换为固定长度的 256 位哈希值，具有抗碰撞性强等特点。

用 RSA 私钥对哈希值进行签名，得到签名结果 S。

验签步骤

车辆在接收 FOTA 包时，首先使用相同的 SHA-256 算法对 FOTA 包进行哈希运算，得到哈希值 H1。

然后使用嵌入的 RSA 公钥对签名 S 进行验签操作，得到一个哈希值 H2。如果 H1 = H2，则说明 FOTA 包未被篡改，具有完整性且来源合法。

（二）加密算法

为了保障 FOTA 包的机密性，采用 AES（Advanced Encryption Standard）算法对 FOTA 包进行加密。AES 是一种对称加密算法，加密和解密速度较快。

密钥生成与注入

由 FOTA 后台服务器生成一个 256 位的 AES 密钥 K。这个密钥通过安全的线下渠道（如在车辆生产时写入车辆的安全芯片中）注入到车辆中。

加密过程

FOTA 后台使用 AES 密钥 K 对 FOTA 包进行加密，得到加密后的 FOTA 包 E。

解密过程

车辆在接收到加密的 FOTA 包 E 后，使用预先注入的 AES 密钥 K 进行解密操作，得到原始的 FOTA 包，然后再进行签名验证等后续步骤。

车辆与 FOTA 后台的通信安全

（一）TLS 协议

在车辆与 FOTA 后台之间的通信中，采用 TLS（Transport Layer Security）协议。TLS 协议能够在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性。

证书生成与验证

FOTA 后台服务器生成 X.509 数字证书。证书的生成过程包括：首先生成私钥，然后将服务器的相关信息（如域名、公钥等）提交给证书颁发机构（CA），CA 使用自己的私钥对这些信息进行签名，生成数字证书。

车辆在与 FOTA 后台建立连接时，首先获取服务器的数字证书，然后验证证书的有效性。验证内容包括：检查证书的签名是否正确（使用 CA 的公钥进行验证）、检查证书是否在有效期内、检查证书的域名是否与服务器的实际域名匹配等。

密钥交换

在 TLS 握手过程中，采用 ECDHE（Elliptic Curve Diffie - Hellman Ephemeral）算法进行密钥交换。ECDH 基于椭圆曲线离散对数问题，具有较高的安全性。双方通过交换椭圆曲线上的点，结合自己的私钥，计算出共享密钥。这个共享密钥用于后续的通信加密，如使用 AES 算法对通信数据进行加密。

（二）通信数据完整性保护

在通信过程中，对传输的数据进行完整性保护。除了上述基于 TLS 协议的加密和验证外，还对每个通信消息附加消息认证码（MAC）。采用 HMAC（Hash-based Message Authentication Code）算法，结合 SHA-256 哈希函数。

MAC 生成

发送方使用共享密钥和要发送的数据作为输入，通过 HMAC 算法生成 MAC 值，并将 MAC 值与数据一起发送给接收方。

MAC 验证

接收方收到数据和 MAC 值后，使用相同的共享密钥和接收到的数据，通过 HMAC 算法重新计算 MAC 值。如果重新计算的 MAC 值与接收到的 MAC 值相等，则说明数据在传输过程中未被篡改，具有完整性。

FOTA 更新过程中待更新固件的本地存储安全

（一）安全存储区域划分

在车辆的存储系统中，划分出专门的安全存储区域用于存储待更新固件。这个区域采用硬件加密技术，如使用基于硬件的加密芯片。

访问控制

只有经过授权的 FOTA 进程才能访问这个安全存储区域。通过设置特定的访问权限，例如基于硬件的访问控制列表（ACL），只有具有特定标识的进程在输入正确的密钥后才能进行读写操作。

密钥管理

用于访问安全存储区域的密钥存储在加密芯片的内部密钥存储区，这个区域是不可直接访问的。密钥在芯片初始化时生成，并且在整个生命周期内不会以明文形式出现在芯片外部。

（二）固件存储加密

对待更新固件在本地存储时进行加密。采用 AES 算法，与上述通信加密中使用的 AES 算法类似，但密钥不同。

密钥生成与注入

由车辆的安全系统生成一个专门用于本地固件存储的 AES 密钥 Ks。这个密钥在车辆生产时注入到加密芯片中，并且与其他密钥分开管理。

加密与解密过程

当 FOTA 进程将待更新固件存储到安全存储区域时，使用 AES 密钥 Ks 对固件进行加密后存储。当需要进行固件更新操作时，先使用密钥 Ks 对固件进行解密，然后再进行更新操作。

总结

通过以上针对 FOTA 业务的信息安全方案，从 FOTA 包的完整性、合法性与机密性，车辆与 FOTA 后台的通信安全，以及 FOTA 更新过程中待更新固件的本地存储安全等多方面进行全面的防护。采用多种成熟的加密算法如 RSA、AES、ECDH 等，结合数字签名、证书验证、MAC 等技术手段，能够有效地抵御各种信息安全威胁，保障整车 FOTA 业务的安全可靠运行，为汽车智能化网联化发展中的固件更新提供坚实的信息安全保障。在实际应用中，还需要根据不同汽车制造商的架构和需求，对方案进行进一步的优化和定制化部署，并且持续关注信息安全领域的新技术发展，不断更新和完善信息安全方案，以应对不断变化的信息安全挑战。

以上方案可根据实际情况进一步拓展和细化，例如在密钥管理方面增加密钥的备份与恢复机制，在通信安全方面进一步优化 TLS 协议的配置参数等，以适应不同的整车 FOTA 业务场景和安全需求。

来源：CSDN博主「车联网安全杂货铺」

https://blog.csdn.net/didaliping/article/details/144013877?spm=1001.2014.3001.5502

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