作者 | 沈平 上海控安可信軟件創(chuàng)新研究院汽車網(wǎng)絡(luò)安全組

來源 |鑒源實(shí)驗(yàn)室

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隨著汽車行業(yè)逐步走向電氣化、智能化，車載系統(tǒng)的軟件和硬件復(fù)雜度不斷上升。如何確保這些復(fù)雜系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通訊安全和可靠，已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。E2E（End-to-End）通訊常常指的是一個(gè)信息從發(fā)送端到接收端的完整傳輸過程，保障通訊中數(shù)據(jù)的完整性與安全性。AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture)是一個(gè)全球汽車工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目，旨在為嵌入式汽車軟件創(chuàng)造一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)。在AUTOSAR架構(gòu)中，軟件被分為三個(gè)主要層次：應(yīng)用軟件(ASW, Application Software)，基礎(chǔ)軟件(BSW, Basic Software)，以及運(yùn)行時(shí)環(huán)境(RTE, Runtime Environment)。E2E通常是在ASW層實(shí)現(xiàn)的，它確保應(yīng)用級(jí)的數(shù)據(jù)通信在發(fā)送和接收時(shí)的完整性。圖1所示為在AUTOSAR架構(gòu)中E2E保護(hù)示例圖。在圖1中E2E能夠減輕BSW層軟硬件以及ECU之間網(wǎng)絡(luò)通訊的故障。

圖1通過E2E保護(hù)減輕故障的示例圖

功能安全是關(guān)于硬件和軟件系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)仍然保持安全狀態(tài)的能力。在車載系統(tǒng)中，例如ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)定義了如何評(píng)估和確保汽車電子/電氣系統(tǒng)的功能安全。當(dāng)進(jìn)行功能安全評(píng)估時(shí)，可以考慮E2E保護(hù)作為降低數(shù)據(jù)通信相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)措施。E2E之所以能夠保證一定程度的功能安全是因?yàn)镋2E保護(hù)的目標(biāo)是確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性，避免由于噪聲、干擾或軟件錯(cuò)誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)損壞或失真。它包括兩大核心要素：

1.通過計(jì)算和驗(yàn)證校驗(yàn)和或CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)），確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有被篡改或損壞。如果一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)（例如制動(dòng)系統(tǒng)或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）收到了損壞或篡改的數(shù)據(jù)，它可能會(huì)做出不正確的決策，從而導(dǎo)致功能失效甚至危險(xiǎn)情況。E2E保護(hù)通過確保數(shù)據(jù)完整性來減少這種風(fēng)險(xiǎn)。

2.通過順序計(jì)數(shù)器（Counter）來確保消息按預(yù)期的順序到達(dá)，能夠檢測(cè)丟失的消息或重復(fù)的消息。如果接收端的計(jì)數(shù)器值與預(yù)期不符，這可能是由于消息丟失或者重復(fù)。對(duì)于某些功能安全關(guān)鍵的應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛或緊急剎車，如果系統(tǒng)收到的數(shù)據(jù)是間斷的，可能會(huì)導(dǎo)致不適當(dāng)或延遲的響應(yīng)。

接下里將結(jié)合AUTOSAR官方文檔中的E2E Profile 1例子，具體闡述E2E是如何工作的。E2E Profile 1由以下四個(gè)組件構(gòu)成：

CRC：循環(huán)冗余檢查。Profile 1通常使用一個(gè)8位的CRC，采用CRC-8-SAE J1850-0x1D多項(xiàng)式計(jì)算。

Counter：計(jì)數(shù)器在每次消息發(fā)送時(shí)增加。對(duì)于Profile 1，這通常是一個(gè)4位的值，這意味著它的范圍是從0到14。當(dāng)達(dá)到最大值后，計(jì)數(shù)器會(huì)回繞到0。

Data ID：用來唯一標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)元素或消息的標(biāo)識(shí)符。對(duì)于Profile 1，這通常是16位的值，用來參與計(jì)算CRC，但不會(huì)進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸。

Timeout monitoring：超時(shí)監(jiān)控是由E2E管理模塊對(duì)counter的值計(jì)算得到。

需要注意的是E2E保護(hù)中的CRC不同于CAN或者FlexRay通訊協(xié)議的CRC校驗(yàn)。其中CAN或者FlexRay通訊協(xié)議的CRC是由通信控制器中的硬件支持提供，并不是由E2E管理模塊生成的。E2E保護(hù)中的CRC是CAN或者FlexRay通訊協(xié)議中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)段內(nèi)容。另外Counter的值是0到14，值15是用來表示錯(cuò)誤的。在AUTOSAR 官方文檔中E2E Profile 1對(duì)于CRC以及Counter是可以自定義其起始位置的，在本文中將CRC起始位置定義為bit 0且長(zhǎng)度為8，Counter起始位置定義為bit 8，且長(zhǎng)度為4。如圖2所示。

圖2 E2E保護(hù)報(bào)文矩陣示意圖

CRC的計(jì)算過程中，一般會(huì)對(duì)整個(gè)報(bào)文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。其中未使用的bit位用0xFF代替。根據(jù)圖2報(bào)文矩陣定義，CRC的計(jì)算如圖3計(jì)算示意圖所示，在圖3中CRC計(jì)算的結(jié)果填充在了報(bào)文的第一個(gè)Byte，Counter值填充在了報(bào)文第二個(gè)Byte的低位。

圖3 CRC計(jì)算示意圖

E2E保護(hù)的工作原理，作為發(fā)送端需要對(duì)每一條消息增加順序計(jì)數(shù)器的值，使用Data ID、Counter以及傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算CRC，將Counter和CRC添加到消息中并發(fā)送。作為接收方使用接收到的Data和Counter計(jì)算CRC，檢查計(jì)算出的CRC是否與接收到的CRC匹配，檢查Counter值以確定消息的連續(xù)性。如果在接收端CRC不匹配，這意味著數(shù)據(jù)可能已經(jīng)被損壞。根據(jù)系統(tǒng)的需求，可以選擇觸發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤報(bào)告或者采取其他的錯(cuò)誤處理措施。如果Counter值不是預(yù)期的（例如，如果它比上一條消息的值小），這可能意味著消息是過時(shí)的或者已經(jīng)被重復(fù)。同樣，可以根據(jù)具體情境進(jìn)行處理，如丟棄數(shù)據(jù)或者觸發(fā)一個(gè)警告。對(duì)于Counter校驗(yàn)機(jī)制如圖4所示。

圖4 counter校驗(yàn)機(jī)制

在圖4中，會(huì)根據(jù)配置的參數(shù)對(duì)counter進(jìn)行校驗(yàn)，配置項(xiàng)包括允許最大的丟幀的數(shù)量，允許重復(fù)的計(jì)數(shù)器的數(shù)量等。通過對(duì)計(jì)數(shù)器的校驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致8種E2E狀態(tài)：

E2E_P01STATUS_OK：Counter計(jì)數(shù)器正確并且CRC校驗(yàn)正確。

E2E_P01STATUS_NONEWDATA：一個(gè)報(bào)文周期內(nèi)未接收到該E2E報(bào)文。

E2E_P01STATUS_WRONGCRC：CRC校驗(yàn)失敗。

E2E_P01STATUS_SYNC：在收到期望之外的Counter后，收到了一個(gè)正確的CRC與合理的Counter。

E2E_P01STATUS_INITIAL：初始化階段。

E2E_P01STATUS_REPEATED：收到的Counter是重復(fù)的。

E2E_P01STATUS_OKSOMELOST：接收到的E2E報(bào)文連續(xù)兩幀之間的Counter差值大于1但小于MaxDeltaCounterInit。

E2E_P01STATUS_WRONGSEQUENCE：接收到的E2E報(bào)文連續(xù)兩幀之間的Counter差值大于MaxDeltaCounterInit。

以上，本文對(duì)E2E保護(hù)機(jī)制的核心概念以及實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。如果想對(duì)E2E保護(hù)機(jī)制在AUTOSAR中如何進(jìn)行配置，需要進(jìn)一步閱讀AUTOSAR官方文檔。

參考文獻(xiàn)：

AUTOSAR.(2022).E2E Protocol Specification. AUTOSAR Standard Working Specification.

AUTOSAR.(2022).pecification of SW-C End-to End Communication Protection Library. AUTOSAR Standard Working Specification.

審核編輯：湯梓紅