利用影子认证帧在标准CAN上实现防重放的技术方案

一个几乎百搭、不改架构、低成本就能落地的整车防重放方案，不是什么颠覆性创新，但或许能给大家带来一点启发：

把原来单独的业务指令（业务帧）变成一个 “指令+动态密码” 的组合，这个 “动态密码” 被打包在一个单独的帧里，这里称为认证帧。因为认证帧和指令帧绑定且紧随其后，就像影子一样，所以这里就叫它 “影子认证帧”

也就是说，要实现该方案只需要给每一个关键控制帧后面额外增加一帧即可。如果觉得单纯计数器不够安全、本身没有用CANFD、想低成本短时间满足要求的可以参考本文。下面，给大家解析这个方案该如何开展

确定保护范围

因为方案是基于“庞大的整车电子电气架构牵一发而动全身，改造起来成本高昂、协同困难或没有多余的数据场位做校验”的原因考虑，所以在开始实施的阶段，我们只需要筛选出一些需要防重放的报文，而不是所有：

识别网络中所有需要防重放保护的关键控制功能（可以根据TARA也可以自己凭经验列举）
列出这些关键帧的CAN ID清单

影子认证帧ID分配规则

筛选出清单后，需要为清单中的每一个关键帧CAN ID (x) 分配一个唯一的影子认证帧CAN ID (x')

分配规则：x' = x + Base_Numb（例如，Base_Numb = 0x100），或根据预定义的映射表进行分配

前置条件：必须确保所有分配的 x' 不与网络中任何现有帧ID发生冲突，需要查询整车CAN矩阵进行确认

示例：需要做防重放的关键帧ID为0x100，那么根据前面分配规则说到的公式0x100 + 0x100 = 0x200，分配的影子认证帧ID就为0x200

影子认证帧数据结构

参照标准CAN格式，统一影子认证帧的数据场格式为8字节，具体定义如下：

字节索引	字段名称	长度	值/描述
0	计数器 (`ctr`)	1 Byte	单调递增的计数值，范围`0x00~0xFF（0-255）`，发送后递增
1	认证标签高字节 (`Tag_H`)	1 Byte	由CMAC算法生成的16位认证标签的高位字节
2	认证标签低字节 (`Tag_L`)	1 Byte	由CMAC算法生成的16位认证标签的低位字节
3-7	时间戳/状态 (`Time_Stamp`)	N Byte	用于同步或增强防回滚能力的时间片或状态字，剩余可填充0xAA

算法和密钥管理

为了方便管理，统一加密算法为AES128-CMAC（或其他算法）
为所有关键帧ID(x)分配一个统一的加密密钥(key) //实际上应该是为每一个关键帧ID单独分配密钥更安全，但考虑到大多数不想这么麻烦，所以可以改成统一密钥
通过安全刷写将密钥 (key) 写入发送ECU和接收ECU的安全存储中，如果没有条件存储，可以将密钥编码在固件中

技术实现

发送端ECU实现

发送端需要在原有发送流程中集成以下步骤：

1.当应用层请求发送受保护的关键帧(s)时，获取当前计数器值(ctr)以及当前时间片 Time_Stamp

2.构造CMAC计算所需的输入数据：Input = s.ID (2B) || s.DATA (8B) || ctr (1B) || Time_Stamp (1B) //此处时间戳假设为1个字节，如果不够，根据情况扩充

3.使用密钥(key)计算CMAC：Full_Tag = CMAC(key, Input)

4.截取Full_Tag的前16个比特位作为本次发送的认证标签(Tag16) //2个字节，填充高低位

5.先发送业务帧(s)

6.然后发送影子认证帧(x')，数据场按数据结构的定义格式填充：

1	`[ctr, Tag_H, Tag_L, Time_Stamp, 0xAA, 0xAA, 0xAA, 0xAA]`

7.发送成功后，更新计数器(ctr)

逻辑流程图如下

graph TD
    A[开始发送] --> B[获取ctr和Time_Stamp]
    B --> C[构造CMAC输入数据]
    C --> D[计算并截取Tag16]
    D --> E[发送业务帧s]
    E --> F[发送影子认证帧x']
    F --> G[更新计数器]
    G --> H[结束]

接收端ECU实现

接收端需要实现一个新的验证状态机制：

1.当收到业务帧(s)时，将其数据副本与接收时间戳存入缓存池，并暂停该帧的应用层处理

2.启动一个定时器（根据业务和网络负载调整），等待对应的影子认证帧(x')

3.超时处理：若超时仍未收到(x')，则从缓存中丢弃该业务帧(s)，不再处理

4.若收到影子认证帧(x')：

a. 从缓存中查找与之匹配的业务帧(s)

b. 从(x')数据场中提取 ctr_recv 和 Tag16_recv以及Time_Stamp_recv

c. 使用密钥 (key)、缓存的s.ID、s.DATA 以及提取的 ctr_recv、Time_Stamp_recv，按照发送流程重新计算期望的认证标签(Tag16_calc)

d. 计算输入：Input_calc = s.ID (2B) || s.DATA (8B) || ctr_recv (1B) || Time_Stamp_recv (1B)

e. 计算：Tag16_calc = Truncate(CMAC(key, Input_calc), 16) //截断取前两个字节用作高低位

f. 验证对比：

若 Tag16_calc != Tag16_recv，验证失败，丢弃业务帧(s)，不再处理
若 Tag16_calc == Tag16_recv，进行Time_Stamp有效性校验和计数器防重放检查

5.清除缓存中对应的业务帧(s)

6.更新计数器

逻辑流程图如下

graph TD
    A[收到业务帧s] --> B{帧s.ID是否在<br>受保护列表?}
    B -- 否 --> C[提交应用层处理]
    B -- 是 --> D[缓存s.ID与s.DATA<br>启动超时定时器]
    
    D --> E{在超时时间内<br>收到影子认证帧x'?}
    E -- 否 --> F[丢弃缓存帧s<br>（可选项）：触发超时告警]
    
    E -- 是 --> G[提取ctr_recv, Tag16_recv, Time_Stamp_recv]
    G --> H[根据缓存数据计算<br>Tag16_calc]
    H --> I{Tag16_calc ==<br>Tag16_recv?}
    I -- 否 --> J[认证失败<br>丢弃帧s]
    
    I -- 是 --> K{Time_Stamp_recv有效?<br>（等于或接近My_Time_Stamp）}
    K -- 否 --> L[时间片无效→重放攻击<br>丢弃帧s]
    
    K -- 是 --> M{ctr_recv有效?<br>（在预期狭小窗口内）}
    M -- 否 --> N[计数器无效→重放攻击<br>丢弃帧s]
    
    M -- 是 --> O[验证成功]
    O --> P[提交业务帧s至应用层]
    O --> Q[更新last_valid_ctr = ctr_recv]
    
    J --> R[结束]
    L --> R
    N --> R
    P --> R
    Q --> R
    
    subgraph 接收端统一清理
        R[清除缓存中本帧记录]
    end

示例

发送端：

场景： 100

1.业务帧(s)：

1 2	`s.ID = 0x100 s.DATA = [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00]`

2.获取静态配置：

密钥 key = 0xsecretkey
影子认证帧ID x' = 0x200
当前计数器 ctr = 0x0B
当前时间片 Time_Stamp = 0x03

3.执行流程：

a. 拼接 Input： 0x100 + [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00] + 0x0B + 0x03

b. 用 key 计算 Input 的CMAC，得到 Tag16

c. 发送第一帧（业务帧）：

1	`ID=0x100, Data=[0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00]`

d. 发送第二帧（认证帧）：

1	`ID=0x200, Data=[0x0B, Tag_H, Tag_L, 0x03, 0xAA, 0xAA, 0xAA, 0xAA]`

e. 将 0x100 对应的计数器加一，变为 0x0C

发送端示例流程图

flowchart TD
    A[应用层请求发送关键帧s] --> B[获取ctr和Time_Stamp]
    B --> C[构造输入数据: Input = s.ID + s.DATA + ctr + Time_Stamp]
    C --> D[计算Full_Tag = CMACkey, Input]
    D --> E[截取Tag16 = 前16位]
    E --> F[发送业务帧s]
    F --> G[发送影子认证帧x'<br>数据: ctr, Tag_H, Tag_L, Time_Stamp, 填充]
    G --> H[更新计数器: ctr = ctr + 1]
    H --> I[发送完成]

    subgraph 示例配置
        J[帧ID: 0x100]
        K[数据: 0100000000000000]
        L[计数器: 0x0B]
        M[时间片: 0x03]
        N[影子认证帧ID: 0x200]
        O[密钥: 0xsecretkey]
    end

接收端：

接收端自身维护一个当前的有效时间片值My_Time_Stamp（比如由网关同步或根据自身系统时间计算得出）和为每个发送源（或每个帧ID）维护一个最后有效的计数器值(last_valid_ctr)

校验流程：

1.总线收到一帧：ID=0x100, Data=[0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00]

a.接收端逻辑：这是受保护的关键帧s，我需要等待它的影子认证帧进行验证

b.动作：将这份数据s.ID 和 s.DATA 存入缓存池，并暂停对该帧的应用层处理，启动一个定时器（例如200ms）

2.总线收到下一帧：ID=0x200, Data=[0x0B, Tag_H, Tag_L, 0x03, 0xAA, 0xAA, 0xAA, 0xAA]

a.接收端逻辑：这是我正在等待对应 0x100 的影子认证帧

b.动作：

1）从缓存中查找影子认证帧对应的ID=0x100业务帧数据

2）从影子认证帧数据场中提取：

1
2
3

* ctr_recv = 0x0B
* Tag16_recv = 0x0102 (高字节0x01 + 低字节0x02) //Tag_H、Tag_L，此处假设是0102
* Time_Stamp_recv = 0x03

3.接收端开始重现发送端的计算过程：

a. Input_calc = s.ID (2B) || s.DATA (8B) || ctr_recv (1B) || Time_Stamp_recv (1B) //拼接输入

b. Full_Tag_calc = CMAC(key, Input_calc) //计算CMAC

c. Tag16_calc = Truncate(Full_Tag_calc, 16) //取前两个字节

4.比较 Tag16_calc (0x0102) 和 Tag16_recv (0x0102)，通过则下一步，不通过丢弃

5.检查时间片：比较Time_Stamp_recv和接收端自己的My_Time_Stamp，通过则下一步，不通过丢弃

6.检查计数器：接收端预期下一个计数器是 0x0B，收到的ctr_recv是0x0B，通过则执行动作，不通过丢弃

7.更新 last_valid_ctr = ctr_recv

接收示例流程图

flowchart TD
    A[收到业务帧s] --> B{受保护帧?}
    B -- 否 --> C[提交应用层]
    B -- 是 --> D[缓存数据并启动定时器]
    D --> E{收到影子认证帧?}
    E -- 超时 --> F[丢弃帧s]
    E -- 收到 --> G[提取ctr_recv, Tag16_recv, Time_Stamp_recv]
    G --> H[计算Tag16_calc]
    H --> I{标签验证?}
    I -- 失败 --> J[认证失败→丢弃]
    I -- 成功 --> K{时间片有效?}
    K -- 无效 --> L[时间片无效→丢弃]
    K -- 有效 --> M{计数器有效?}
    M -- 无效 --> N[计数器无效→丢弃]
    M -- 有效 --> O[验证成功]
    O --> P[提交应用层]
    O --> Q[更新last_valid_ctr]
    F --> R[清理缓存]
    J --> R
    L --> R
    N --> R
    P --> R
    Q --> R
    subgraph 示例数据
        S[业务帧: ID=0x100, Data=0100000000000000]
        T[影子认证帧: ID=0x200, Data=0B010203AAAAAAAA]
        U[提取: ctr=0x0B, Time_Stamp=0x03]
    end

总结

本方案结合了之前的项目，有成功落地的案例，并在此基础上做了优化，后面可以根据自身情况更改、删减一些做不到的或根据自身条件增加更多的验证

最后，别感冒

车联网

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