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深入解析UDS 31服务在安全访问中的时序逻辑与实战应用

你有没有遇到过这样的场景：诊断工具连接车辆后，明明发送了正确的“解锁”指令，却始终无法进入写Flash或读取加密数据的权限？反复尝试无果，最后发现是某个隐藏的例程未被触发——而这个“开关”，正是通过UDS 31服务控制的。

这并非个例。随着汽车电子架构向域集中式演进，ECU的安全机制越来越复杂，传统的基于27服务（Security Access）的种子-密钥认证已不足以满足高阶安全需求。越来越多主机厂开始采用UDS 31服务来实现更灵活、更隐蔽的安全控制逻辑，尤其是在OTA升级、防盗匹配和配置解锁等关键流程中。

本文将带你穿透协议表层，从一个工程师的真实调试视角出发，图解并还原UDS 31服务在安全访问过程中的完整交互时序，剖析其背后的设计哲学，并结合代码与典型问题，揭示那些藏在手册字里行间的“坑点”与应对策略。

为什么是UDS 31服务？它不只是“启动个任务”那么简单

统一诊断服务（UDS, ISO 14229）定义了多个用于诊断操作的服务，其中SID = 0x31的“例程控制”服务看似普通——不就是启动、停止或查询某个内部程序吗？

但当你深入到安全访问的实际工程实现时，会发现它的角色远比想象中重要。

它的本质是什么？

我们可以把 UDS 31 服务理解为 ECU 内部的一个“可编程接口”。它允许外部诊断设备像调用函数一样，执行一段预设好的逻辑代码，比如：

• 生成一个随机数（Seed）
• 触发HSM模块进行签名运算
• 启动一次临时权限窗口
• 清除某段加密缓存

这些动作本身不直接完成认证，而是为后续的安全流程铺路。换句话说，31服务不是终点，而是起点。

📌 关键认知：
如果说27服务是标准的“门禁刷卡机”，那么31服务就是一个可以自定义逻辑的“智能门锁控制器”——你可以决定什么时候发卡、怎么验证、甚至是否需要二次确认。

核心机制拆解：31服务如何参与安全访问？

虽然 ISO 14229 中规定标准的安全访问由 27 服务处理，但在实际项目中，尤其是涉及硬件安全模块（HSM）、可信执行环境（TEE）或定制化加密算法时，厂商往往会借助31服务实现更复杂的协同逻辑。

典型应用场景

这类设计的核心思想是：将敏感逻辑封装起来，不让攻击者轻易窥探其行为模式。

看得见的流程：六步走通安全访问全链路

下面我们以一个真实开发中常见的 OTA 升级前的身份认证流程为例，逐步展开基于UDS 31服务的安全访问时序。

整个过程如下图所示（文字版时序描述）：

[诊断仪] [目标ECU] │ │ ├─────── 10 03 ───────────────→ │ ← 进入扩展会话 │ ├────→ 切换至Extended Session │ │ │ │ ├─────── 31 01 F180 ───────────→ │ ← 启动“生成挑战”例程 │ ├────→ 执行GenerateRandomSeed() │ │ 生成4字节Seed: 5AA55AA5 │ │ │ │ │ ←───── 71 01 F180 5A A5 5A A5 ─┤ ← 成功返回Seed │ │ [客户端计算Key] │ │ Key = HMAC-SHA256(PSK, Seed) │ ├─────── 27 02 XX...XX ────────→ │ ← 提交计算后的密钥 │ ├────→ ECU本地重新计算期望Key │ │ 并比对一致性 │ │ │ │ │ ←──────── 67 02 ──────────────┤ ← 认证成功，提升安全等级 │ │ │ ├─────── 3D AA BB CC DD ───────→ │ ← 执行受保护操作（如写内存） │ │ 此时已具备高权限 │ │ │ ←──────── 7D ... ──────────────┤ ← 操作成功响应

我们来逐阶段解读：

第一阶段：切换诊断会话模式

Tester → ECU: 10 03 ECU → Tester: 50 03

这是所有高级诊断操作的前提。默认处于Default Session，许多安全功能不可用。必须先请求进入Extended Diagnostic Session（子功能0x03），才能激活后续的安全例程。

⚠️ 坑点提醒：有些ECU在收到10 03后不会立即响应50 03，而是要求先满足某些条件（如特定信号拉高、电源稳定）。务必查看该ECU的诊断规范文档！

第二阶段：使用31服务获取挑战值（Seed）

Tester → ECU: 31 01 F1 80 ECU → Tester: 71 01 F1 80 5A A5 5A A5

这才是真正的“开门第一步”。

这里的关键在于：
- 子功能0x01表示“启动例程”
- Routine ID0xF180是OEM自定义的“生成挑战值”例程（通常属于保留地址段 F1xx ~ F3xx）
- 返回的数据5AA55AA5是本次会话唯一的Seed

这个Seed是如何生成的？可能来自：
- 软件PRNG（伪随机数生成器）
- 硬件TRNG（真随机源）
- HSM内部安全引擎

不同来源决定了系统的抗破解能力。

✅ 最佳实践建议：
若支持HSM，应优先将其作为Seed生成源，避免软件侧被逆向分析出规律。

第三阶段：客户端执行密钥计算

拿到Seed后，诊断工具需使用预共享密钥（PSK）和约定算法计算响应密钥（Key）。

常见算法包括：
- AES-based challenge-response
- HMAC-SHA256(Key, Seed)
- 自研轻量级混淆算法（适用于资源受限ECU）

🔐 安全提示：
PSK 不应硬编码在诊断工具中，理想做法是通过安全通道动态注入，或绑定用户身份令牌。

第四阶段：提交密钥完成认证（仍用27服务）

Tester → ECU: 27 02 [Key Bytes] ECU → Tester: 67 02

注意：虽然Seed来自31服务，但最终密钥提交依然走27服务的子功能0x02（Send Key）。这是因为 UDS 协议栈通常将“密钥校验”作为一个标准服务来管理。

但此时的校验逻辑可能已经改变：
- ECU会调用之前由31服务启动的例程上下文
- 使用相同的算法+PSK重新计算期望Key
- 与接收到的Key做恒定时间比较（防止时序攻击）

一旦匹配成功，当前会话即被标记为“已认证状态”。

第五阶段：权限提升，执行高风险操作

认证通过后，即可调用原本受保护的服务，例如：

• 2E— Write Data By Identifier（写参数）
• 3D— Write Memory By Address（写内存）
• 10 02— Programming Session（刷写模式）
• 85— Control DTC Setting（控制故障码使能）

这些操作只有在当前会话达到指定Security Level后才允许执行。

技术细节深挖：31服务的寄存器级运作原理

为了帮助你真正掌握底层逻辑，下面我们来看 ECU 端如何处理这条31 01 F180请求。

数据结构定义（简化版）

typedef struct { uint8_t sid; // 服务ID: 0x31 uint8_t subFunction; // 操作类型: 0x01/0x02/0x03 uint8_t routineIdHi; // Routine ID 高字节 uint8_t routineIdLo; // 低字节 uint8_t optionRecord[4]; // 可选输入参数（视例程而定） } RoutineControlRequest; typedef struct { uint8_t responseSid; // 0x71 uint8_t subFunction; uint8_t routineIdHi; uint8_t routineIdLo; uint8_t resultData[4]; // 输出结果（如Seed） } RoutineControlResponse;

核心处理函数（带注释详解）

Std_ReturnType HandleRoutineControl(const uint8* request, uint8* response) { uint8 subFunction = request[1]; uint16 routineId = (request[2] << 8) | request[3]; switch (subFunction) { case 0x01: // Start Routine if (routineId == 0xF180) { // 启动生成Seed例程 if (GenerateRandomSeed() != E_OK) { return E_NOT_OK; // 硬件失败检测 } response[0] = 0x71; // Positive Response ID response[1] = 0x01; // Echo sub-function response[2] = 0xF1; response[3] = 0x80; // 填充Seed（假设全局缓冲区已更新） memcpy(&response[4], g_seedBuffer, 4); // 记录本次挑战的有效时间戳 g_lastChallengeTimestamp = GetSystemTimeMs(); return E_OK; } break; case 0x03: // Request Routine Results if (routineId == 0xF180) { response[0] = 0x71; response[1] = 0x03; response[2] = 0xF1; response[3] = 0x80; // 返回最后一次生成的结果 memcpy(&response[4], g_resultData, 4); return E_OK; } break; default: SendNegativeResponse(0x12); // Sub-function not supported return E_NOT_OK; } SendNegativeResponse(0x7F); // Invalid routine ID return E_NOT_OK; }

关键设计考量说明

工程实战中的五大“坑点”与应对方案

即使理论清晰，在真实项目中仍容易踩坑。以下是我在多个车型项目中总结的经验教训：

❌ 坑点一：Seed重复或可预测

现象：多次连接获取的Seed相同，极易被重放攻击。

原因：使用固定种子的PRNG，或未正确初始化随机源。

解决方案：
- 使用硬件TRNG（如STM32的RNG模块）
- 引入系统启动时间、ADC噪声等作为熵源
- 每次生成后清零缓冲区

❌ 坑点二：例程超时不处理

现象：客户端拿到Seed后迟迟不提交Key，ECU仍接受旧挑战。

风险：攻击者截获历史通信包进行延迟回放。

修复措施：

bool IsChallengeValid(void) { uint32_t now = GetSystemTimeMs(); return (now - g_lastChallengeTimestamp) < 5000; // 5秒有效 }

并在27服务校验前加入有效性判断。

❌ 坑点三：缺乏防爆破机制

现象：连续尝试数十次仍不锁定，导致暴力破解成功。

改进方法：
- 设置最大尝试次数（如3次失败后拒绝响应）
- 引入递增延迟：首次失败等待1s，第二次10s，第三次60s
- 可结合非易失存储记录失败次数，掉电不丢失

❌ 坑点四：Routine ID命名混乱

现象：不同ECU之间ID冲突，或同一ECU多个例程共用ID。

最佳实践：
- 制定公司级Routine ID分配表
- 推荐范围：
-0xF1xx：安全相关例程（如F180=生成Seed，F181=清除权限）
-0xF2xx：生产测试专用
-0xF3xx：OTA辅助功能
- 在ODX文件中明确标注每个例程用途

❌ 坑点五：忽略SecOC保护

现象：Seed明文传输，CAN总线监听即可捕获。

增强手段：
- 对包含敏感数据的报文启用SecOC（Secure Onboard Communication）
- 使用MAC（消息认证码）确保完整性
- 时间戳防重放
- 即使物理层被监听，也无法伪造有效响应

总结：UDS 31服务的价值到底在哪？

回到最初的问题：既然已经有27服务，为何还要用31服务来做安全访问？

答案是：灵活性 + 安全性 + 可扩展性。

特别是在以下场景中，UDS 31服务几乎是必选项：
- 主机厂要求实现独有的安全协议
- ECU配备HSM且需调用其安全功能
- OTA升级前的身份双向认证
- 高价值车辆功能（如自动驾驶配置）的远程解锁

如果你正在参与车载网络安全体系建设，或者负责诊断协议开发与测试，那么掌握UDS 31服务的时序逻辑与安全设计原则，已经不再是“加分项”，而是必备技能。

下一次当你面对“无法解锁”的难题时，不妨问问自己：

“那个关键的例程，真的被正确触发了吗？”

欢迎在评论区分享你在实际项目中使用31服务的经历，我们一起探讨更多实战技巧。