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HSM（硬件安全模块）是嵌入在汽车电子控制单元内部的专用硬件安全核心，它如同每个ECU的“硬件保险库”，专门负责守护车辆的密钥系统与执行关键密码学操作，是构建现代汽车网络安全体系的基石。

HSM并非纯软件解决方案，而是一组专为安全而设计的物理硬件组件，通常与主处理器集成在同一芯片上，形成一道物理隔离的安全屏障。其核心硬件通常包括：

• 独立的安全处理器：如一个ARM Cortex-M系列的核心，独立于主CPU运行，确保安全操作不受主系统干扰

• 密码学加速器：专门的硬件电路，用于高效执行AES（对称加密）、RSA/ECC（非对称加密）、SHA（哈希计算）等算法，大幅降低主CPU负

• 受保护的存储单元：安全存储区域（如安全Flash和RAM），用于绝密密钥的生成与保存，这些存储区通常受到硬件防火墙保护，主CPU无法直接访问

• 真随机数生成器：基于物理熵源产生高质量的随机数，为密钥生成提供基础

这种硬件级的隔离和防护，使得HSM能够抵御软件攻击和一定程度的物理攻击，为ECU提供一个可信的执行环境

一、HSM如何工作

HSM 在汽车电子中，尤其是在防止 ECU 被恶意篡改方面，其核心作用是建立一个从启动到运行，再到通信的全链条硬件级信任根基。

🔒 HSM如何保障ECU安全启动

ECU的安全启动是整个系统安全的第一道防线，其目标是确保ECU只会执行由可信来源（如整车厂或一级供应商）签名的、未经篡改的合法软件。HSM在此过程中扮演着可信根和安全执法官的角色。

• 上电与初始引导：ECU通电后，首先运行的是芯片内部只读存储器（ROM）中的初始代码（Boot ROM）。这段代码通常会包含一个预置的、写死的根公钥（信任锚）。随后，它会去验证下一阶段引导程序（Bootloader）的数字签名。这个验证过程，往往就是由HSM中的密码学加速器来高效完成的

• Bootloader的验证与执行：HSM使用根公钥对Bootloader的签名进行验证。如果验证通过，证明Bootloader是合法且完整的，系统才会将控制权交给它。如果签名无效，HSM会阻止启动，并根据安全策略记录故障码或进入安全状态，从而从根本上阻止任何被篡改的Bootloader运行

• 应用程序的验证与执行：被验证过的Bootloader会继续承担起验证操作系统内核或应用程序（Application）的任务。同样，它会调用HSM的服务，使用相应的公钥（可能与验证Bootloader的公钥相同，也可能是密钥链中的另一个）来验证应用程序镜像的完整性和真实性。验证通过后，应用程序才会被加载执行。为了平衡安全性与启动速度，业界也有一些创新方案。例如，将大型应用程序分成多个块，由HSM和安全主芯片并行校验不同的块。或者采用随机抽样验证策略，每次启动时由HSM随机选择部分关键代码段进行验证，从而在保证安全性的前提下优化启动时间。

• 信任链建立：至此，一个完整的“信任链”就建立起来了：ROM代码 → 验证过的Bootloader → 验证过的应用程序。这个链条上的每一个环节，都在将信任传递给下一环，而HSM正是确保每一环信任传递可靠性的关键

🚀 HSM在ECU运行时的防护作用

即使在系统成功启动后，HSM的防护也并未停止，它会持续在以下几个方面发挥作用：

• 安全通信：HSM能够为在CAN FD、以太网等车载网络上传输的数据生成和验证信息验证码，确保重要控制指令（如刹车、转向）不会被篡改或重放

• 安全升级：在进行OTA升级时，HSM会验证升级包的签名，确保其来源可信且未经篡改

• 密钥安全保管：所有的加密密钥（用于签名、通信等）都由HSM在内部安全生成、存储和使用，私钥永远不以明文形式离开HSM的安全边界，这从根本上解决了密钥泄露的风险

二、HSM等级

EVITA 标准根据不同的应用场景，将HSM分为Full、Medium和Light三个等级，以实现安全性、性能和成本的最佳平衡。

• Full HSM (完整)

  • 独立的CPU核、非对称加密引擎（如ECC-256）、对称加密引擎（如AES-128）、哈希引擎（如WHIRLPOOL）、真随机数生成器（TRNG）、独立的安全存储（NVM/RAM）

  • 具备完整的硬件加速模块，特别是用于高效签名/验证的非对称加密引擎和哈希引擎，提供最高级别的安全性能

• Medium HSM (中等)

  • 独立的CPU核、对称加密引擎（如AES-128）、真随机数生成器（TRNG）、独立的安全存储（NVM/RAM）

  • 通常不具备硬件加速的非对称加密和哈希引擎。这些操作可通过软件实现，但性能较低，适用于对实时性要求不高的非对称运算或主要依赖对称加密的内部通信

• Light HSM (轻量)

  • 对称加密引擎（如AES-128）

  • 结构最简单，没有独立的处理单元和专用安全存储。应用处理器和软件通常可以访问其密码数据。可视为SHE规范的增强

💡 硬件差异背后的设计逻辑

EVITA标准对HSM进行分级的核心思想在于根据不同的应用场景和安全需求，在安全性、性能和成本之间取得最佳平衡

• Full HSM 为应对车外通信（如V2X）的复杂威胁，必须能够快速处理非对称加密操作（如数字签名验证），因此硬件上配备了完整的加速引擎

• Medium HSM 针对车内网络通信（如CAN FD、车载以太网），其安全通信协议（如SecOC）主要基于对称加密算法来保证消息的真实性和完整性。省去昂贵的非对称加密硬件加速器，在保证安全的同时更具成本效益

• Light HSM 旨在为资源极度受限的终端设备提供最基本的安全保障，例如确保传感器数据的真实性。其最小化的硬件设计满足了严格的成本和效率要求