PQC 后量子密碼：應對量子計算威脅的加密升級

量子計算的發展對現有的加密算法構成了嚴重威脅。傳統的公鑰加密算法（如RSA和ECC）在面對量子計算機時將變得不安全。因此，UNECE R155 和 ISO/SAE 21434 均要求汽車芯片具備后量子密碼（PQC）能力，以確保未來安全。

后量子密碼算法旨在抵抗量子計算機的攻擊，目前主流的PQC算法包括基于格的算法（如Kyber、Saber）、基于哈希的算法（如SPHINCS+）和基于編碼的算法（如Classic McEliece）。選擇合適的PQC算法需要考慮算法的安全性、性能和實現復雜度。

案例對比

假設某汽車制造商在選擇PQC算法時，面臨以下兩個選項：

• Kyber：基于格的算法，具有較高的安全性和較好的性能，但實現復雜度相對較高。
• SPHINCS+：基于哈希的算法，實現簡單，但性能稍遜于基于格的算法。

在實際選擇時，制造商可以結合自身的需求和資源，綜合考慮算法的安全性、性能和實現復雜度。例如，如果制造商更注重算法的安全性和未來擴展性，可以選擇Kyber；如果更注重實現的簡便性和成本控制，可以選擇SPHINCS+。

硬件信任根：芯片級安全基石設計

硬件信任根（Root of Trust, RoT）是確保汽車芯片安全的基礎。UNECE R155 第 6.2.3 條和 ISO/SAE 21434 第 6.3.5 條均明確要求汽車芯片具備硬件信任根功能。硬件信任根通常包括安全存儲、安全啟動、安全認證和安全密鑰管理等功能。

一個典型的硬件信任根設計包括以下幾個關鍵組件：

• 安全存儲：用于存儲安全密鑰、證書和其他敏感數據，確保這些數據不被篡改或泄露。
• 安全啟動：確保從啟動時就建立一個安全的執行環境，防止惡意軟件在啟動過程中加載。
• 安全認證：通過硬件實現的認證機制，確保芯片與外部設備或系統的通信安全。
• 安全密鑰管理：提供密鑰的生成、存儲、管理和更新功能，確保密鑰的安全性和有效性。

選擇具備硬件信任根功能的芯片時，制造商應關注以下幾點：
– 確認芯片是否支持安全啟動和安全認證功能。
– 檢查芯片的安全存儲機制是否符合行業標準，如使用硬件安全模塊（HSM）或可信執行環境（TEE）。

安全啟動：從 Bootloader 到應用層的信任鏈

安全啟動是確保汽車芯片從啟動到運行過程中始終保持安全的關鍵技術。UNECE R155 第 6.2.4 條和 ISO/SAE 21434 第 6.3.6 條均強調了安全啟動的重要性。安全啟動通過建立一個從Bootloader到應用層的信任鏈，確保每個啟動階段的代碼都是可信的，從而防止惡意軟件的加載和執行。

一個完整的安全啟動過程通常包括以下幾個步驟：

1. Bootloader 驗證：Bootloader 是啟動過程中的第一個執行程序，必須經過硬件信任根的驗證，確保其未被篡改。
2. 操作系統驗證：驗證Bootloader加載的操作系統是否可信。
3. 應用程序驗證：驗證操作系統加載的應用程序是否可信。

在選擇支持安全啟動的芯片時，制造商應考慮以下因素：
– 芯片是否支持基于硬件的信任根驗證機制。
– 芯片是否具備防篡改功能，確保啟動過程中代碼的完整性。
– 芯片是否支持多種安全啟動模式，以適應不同的應用場景。

供應鏈溯源：芯片全生命周期可追溯性

供應鏈溯源是確保汽車芯片在整個生命周期內可追溯的關鍵技術。UNECE R155 第 6.2.5 條和 ISO/SAE 21434 第 6.3.7 條均要求制造商建立一個可追溯的供應鏈管理機制，確保芯片的來源、生產、運輸和使用過程中的安全性。

實現供應鏈溯源的技術手段包括但不限于：
– 芯片標識：為每個芯片分配唯一的標識符，確保其在整個生命周期內的唯一性。
– 區塊鏈技術：利用區塊鏈技術記錄芯片的生產和流通信息，確保數據的真實性和不可篡改性。
– 安全日志：記錄芯片在使用過程中的安全事件，以便在出現問題時進行追溯。

在選擇支持供應鏈溯源的芯片時，制造商應關注以下幾點：
– 芯片是否支持唯一的標識符分配，并且該標識符是否難以被篡改。
– 芯片是否具備記錄安全事件的能力，確保在出現問題時能夠及時追溯。
– 芯片是否支持與區塊鏈技術的集成，以提高數據的透明度和可信度。

1. 明確安全需求

在選擇汽車芯片之前，制造商應明確車輛的安全需求，包括但不限于網絡安全管理、數據加密、安全啟動和供應鏈管理等方面。這些需求應與UNECE R155/R156和ISO/SAE 21434的標準要求相匹配。

2. 評估芯片功能

評估不同芯片的功能是否滿足安全需求。具體評估內容包括：
– 是否支持PQC算法，如Kyber、SPHINCS+等。
– 是否具備硬件信任根功能，包括安全存儲、安全啟動、安全認證和安全密鑰管理等。
– 是否支持安全啟動，確保啟動過程中的代碼完整性。
– 是否支持供應鏈溯源，確保芯片的全生命周期可追溯性。

3. 進行合規性測試

選擇符合安全需求的芯片后，制造商應進行合規性測試，確保芯片在實際應用中能夠滿足法規要求。測試內容包括：
– 安全啟動測試：驗證芯片的啟動過程是否符合安全啟動的要求，確保每個啟動階段的代碼都是可信的。
– 安全存儲測試：驗證芯片的安全存儲機制是否能夠防止數據的篡改和泄露。
– 安全認證測試：驗證芯片的認證機制是否能夠確保與外部設備或系統的通信安全。
– 供應鏈溯源測試：驗證芯片的供應鏈管理機制是否能夠確保全生命周期的可追溯性。

4. 建立合規檢查清單

為了確保選型過程的合規性，制造商可以建立一個詳細的合規檢查清單。以下是一個示例清單：

• PQC算法支持：
  – 芯片是否支持PQC算法（如Kyber、SPHINCS+等）：
  – 芯片是否具備PQC算法的硬件加速功能：
• 硬件信任根功能：
  – 芯片是否支持安全存儲：
  – 芯片是否支持安全啟動：
  – 芯片是否支持安全認證：
  – 芯片是否支持安全密鑰管理：
• 安全啟動：
  – 芯片是否支持基于硬件的信任根驗證機制：
  – 芯片是否具備防篡改功能，確保啟動過程中代碼的完整性：
  – 芯片是否支持多種安全啟動模式，以適應不同的應用場景：
• 供應鏈溯源：
  – 芯片是否支持唯一的標識符分配，并且該標識符是否難以被篡改：
  – 芯片是否具備記錄安全事件的能力，確保在出現問題時能夠及時追溯：
  – 芯片是否支持與區塊鏈技術的集成，以提高數據的透明度和可信度：

5. 持續監控與更新

選型完成后，制造商應建立一個持續監控和更新機制，確保芯片在實際應用中能夠應對新的安全威脅。具體措施包括：
– 定期進行安全審計，檢查芯片的安全性能和合規性。
– 及時更新芯片的固件和軟件，修補已知的安全漏洞。
– 與芯片供應商保持密切合作，獲取最新的安全技術支持和解決方案。