车载安全之锚：一文读懂 HSM 硬件安全模块
谈思实验室
2026年10月13日 17:49
上海
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01
前言
随着汽车智能化和网联化的发展，汽车软件面临着更加严重的安全风险问题，为了应对一系列软件安全问题，就离不开硬件安全模块这个扮演着安全之锚的角色。
HSM是硬件安全模块的英语缩写，全称是Hardware Security Module。HSM可以用于车辆安全信息（比如密钥）的生成、存储以及处理，且能够隔离外部恶意软件的攻击。HSM可以用于构建、验证可靠的软件，以保护在软件加载并初次访问之前的安全启动。HSM包含有加密/解密硬件加速功能，和软件解决方案相比能够有效降低CPU负载。
02
软硬件加密方案对比
加密方案一般由基于纯软件和硬件外设两种方案，如下图所示
纯软件
- 软件中执行加解密算法
- 不需要硬件支持，没有加速能力
- 没有独立的安全核以及内存
- 可能消耗更多CPU资源
- 代码量以及执行速度依赖于微控制器
硬件外设
- 在硬件中执行加解密算法
- 硬件支持加速
- 没有独立的安全核以及内存
- 密钥和应用数据在同一个内存区域
- 加密硬件不支持更新
03
安全硬件拓展（SHE）
SHE是安全硬件拓展的英文缩写，全程是Secure Hardware Extension，是由HIS（由Audi、BWM、Porsche、Volkswagen形成的组织）制定的标准，以通过硬件提供基于AES-128的密码服务：加解密；消息验证码；引导加载程序的认证；唯一的设备ID等。SHE属于微控制器的片上扩展，旨在将对加密密钥的控制从软件域移到硬件域，从而保护这些密钥免受软件攻击。
SHE的基本结构图
SHE的设计目标
- 提供安全锚
- 定义加密服务的基本特性集合
- 成本低
SHE结构的特点
SHE属于MCU内部的扩展
- 为应用层提供加密服务
- 将密钥与MCU其他资源独立
基于AES-128的加密服务
- 包含加密和解密
- CMAC的产生和验证
- 随机数产生
- Bootloader的验证
密钥存在在一个专用的NVM区域，应用不可直接访问
04
硬件安全模块（HSM）
HSM是一种用于保护和管理强认证系统所使用的密钥和敏感数据，并同时提供相关密码学操作的计算机设备。
HSM设计目标
- 增强ECU对软件和硬件的攻击
- 为加密服务提供加速能力
- 支持ECU间通信保护
HSM的基本结构图
EVITA（E-safety vehicle intrusion protection applications）是欧盟第七框架计划（Seventh Framework Programme）资助的项目（2008-2011），旨在为车载网络的体系架构进行设计、验证、形成原型，以防止安全相关的组件被篡改，并保护敏感数据以免受到攻击。
EVITA提出的面向汽车硬件安全模块的通用结构如下图所示，其中ECU的应用CPU拥有一个密码协处理器HSM。HSM负责执行所有密码应用，包括基于对称密钥的加解密、完整性检查、基于非对称密钥的加解密、数字签名的创建与验证，以及用于安全应用的随机数生成功能。
EVITA把硬件安全模块划分为三个等级：分为full HSM、medium HSM和light HSM。其中full HSM主要用于V2X的通信单元，以及中央网关；medium HSM主要用于ECU之间通信场景的ECU；light HSM则用于传感器、执行器。
三个等级的HSM结构图
EVITA full HSM结构图
EVITA medium HSM结构图
EVITA light HSM结构图
EVITA HSM的三种配置特性
HSM full
- 支持强认证（例如RSA，ECC）
- 支持复杂分组密码
- 高性能
HSM medium
- CPU性能相对低
- 没有基于硬件加速的非对称密码和哈希算法
- 一方面可以通过软件的方式来执行一些时间性能要求不高的非对称密码操作；另一方面基于效率和成本方面的考虑，ECU之间通信的保护采用对称密码算法具有合理性，因此适用于ECU之间的通信
HSM light
- 安全的关键传感器和执行器
- 简单的分组密码
- 低成本
05
不同HSM类型的差异
来源：
https://blog.csdn.net/qgccdd061313/article/details/134846577?spm=1001.2014.3001.5502
end
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