在無線電池管理系統(tǒng)新時代，安全性成為焦點

wBMS技術(shù)的全部優(yōu)勢只有在從過程到產(chǎn)品都能確保系統(tǒng)安全性的情況下才能實現(xiàn)。

在與電動汽車（EV）OEM廠商就無線電池管理系統(tǒng)（wBMS）的技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢進行的早期對話中發(fā)現(xiàn)的挑戰(zhàn)似乎令人生畏，但回報太有希望了，不容忽視。無線連接相對于有線/有線架構(gòu)的許多固有優(yōu)勢已經(jīng)在無數(shù)商業(yè)應(yīng)用中得到證明，BMS是另一個明確的線切割候選者。

更輕量、模塊化和緊湊的電動汽車電池組的前景——最終從繁瑣的通信線束中解放出來——已經(jīng)得到了廣泛的接受。通過消除高達 90% 的電池組布線和 15% 的電池組體積，可以顯著簡化整車的設(shè)計和占地面積，以及物料清單 （BOM） 成本、開發(fā)復(fù)雜性和相關(guān)手動安裝/維護勞動力。

更重要的是，單個無線電池設(shè)計可以很容易地擴展到OEM的整個電動汽車車隊，從而排除了為每個品牌和型號進行廣泛而昂貴的包裝線束重新設(shè)計。借助wBMS，OEM可以自由修改其車架設(shè)計，而不必?fù)?dān)心必須在電池組內(nèi)重新布線大量的BMS布線。

從長遠(yuǎn)來看，持續(xù)減少車輛重量和電池組尺寸對于未來幾年延長電動汽車的行駛里程至關(guān)重要。因此，wBMS技術(shù)將在幫助OEM提高其續(xù)航能力方面發(fā)揮重要作用，從而幫助克服消費者長期揮之不去的電動汽車?yán)锍探箲]。

這不僅有望刺激電動汽車市場的整體采用率，而且還使原始設(shè)備制造商有機會憑借其行駛里程優(yōu)勢躍升為電動汽車市場的領(lǐng)導(dǎo)地位。這仍將是未來電動汽車原始設(shè)備制造商之間的主要差異化因素。有關(guān)優(yōu)勢和市場分析的更多詳細(xì)信息，請參閱“電動汽車無線電池管理革命已經(jīng)開始，投資回報潛力巨大”。

新的安全標(biāo)準(zhǔn)

要實現(xiàn)wBMS提供的承諾，需要克服許多挑戰(zhàn)。wBMS中使用的無線通信需要在汽車行駛時具有足夠的抗干擾能力，并且系統(tǒng)必須在所有條件下都是安全的。但是，僅靠穩(wěn)健和安全的設(shè)計可能不足以抵御堅定的攻擊者 - 這就是系統(tǒng)安全性發(fā)揮作用的地方。

干擾源根據(jù)汽車行駛的位置（例如，城市與農(nóng)村地區(qū)）以及是否有人在車內(nèi)使用在同一頻段內(nèi)運行的其他無線設(shè)備而變化。電池組內(nèi)的反射也會降低性能，具體取決于用于容納電池單元的電池組的材料。wBMS信號很有可能波動，從而在自然條件下中斷通信，更不用說面對惡意行為者了。

如果wBMS通信以某種方式中斷，汽車可以恢復(fù)到性能降低的“安全模式”，以允許駕駛員采取行動，或者在完全失去wBMS通信的情況下安全停止。這可以通過適當(dāng)?shù)陌踩O(shè)計來實現(xiàn)，該設(shè)計考慮了系統(tǒng)中所有可能的故障模式，并實施了解決組件隨機故障的端到端安全機制。

但安全設(shè)計沒有考慮惡意行為者可能利用系統(tǒng)為自己謀利的可能性，其中可能包括遠(yuǎn)程控制汽車。在 2016 年黑帽會議期間，研究人員在移動車輛上使用通過車輛網(wǎng)關(guān)進行遠(yuǎn)程訪問，證明了這種可能性。因此，無線魯棒性和故障安全設(shè)計是不夠的;他們需要有安全保障。黑帽演示是一個寶貴的教訓(xùn)，表明未來的汽車無線系統(tǒng)需要以這樣的方式設(shè)計，即它們不能被用作另一個遠(yuǎn)程入口點。相比之下，傳統(tǒng)的有線電池組不提供遠(yuǎn)程訪問，因此要訪問電池數(shù)據(jù)，黑客需要物理訪問車輛中的高壓環(huán)境。

在整個電動汽車電池壽命周期中可能會出現(xiàn)額外的安全挑戰(zhàn)，如圖 2 所示。在ADI公司（ADI），我們的wBMS設(shè)計方法側(cè)重于了解電動汽車電池從誕生到出廠、部署和維護，最后到下一次壽命或報廢的不同階段。這些用例定義了wBMS必須支持的各種功能。例如，防止未經(jīng)授權(quán)的遠(yuǎn)程訪問是電動汽車部署期間的一個考慮因素，但在制造過程中需要更靈活的訪問。另一個例子是可維護性，其中維修權(quán)法律要求車主解決源于電池或相關(guān)wBMS的問題。這意味著必須支持在wBMS中更新軟件的合法方式，并且更新機制不應(yīng)在車輛離開服務(wù)中心時損害其安全性。

此外，當(dāng)電動汽車電池不再符合電動汽車性能標(biāo)準(zhǔn)時，有時會重新部署到能源部門。這需要將電動汽車電池的所有權(quán)從第一次生命轉(zhuǎn)移到下一次生命。由于電池是沒有內(nèi)置智能的設(shè)備，因此隨附的wBMS需要執(zhí)行最適合電動汽車電池壽命的適當(dāng)安全策略。在過渡到第二人生之前，需要安全地擦除第一人生的秘密。

ADI預(yù)見到了這些問題，并根據(jù)我們自己的核心設(shè)計原則解決了這些問題，這些原則對維護和增強從流程到產(chǎn)品的安全集成給予了高度重視和詳盡的審查。同時，ISO/SAE 214342過去三年一直在開發(fā)的“道路車輛：網(wǎng)絡(luò)安全工程”標(biāo)準(zhǔn)于 2021 年 8 月正式發(fā)布。它定義了一個類似的詳盡的端到端流程框架，具有四個級別的網(wǎng)絡(luò)安全保證。汽車 OEM 和供應(yīng)商的評級范圍為 1 到 4，其中 4 表示最高一致性級別（見圖 3）。

圖2.電動汽車電池生命周期及其相關(guān)的 wBMS 生命周期。

圖3.ISO/SAE 21434 框架和 CAL 4 期望。

ADI的wBMS方法與ISO/SAE 21434相呼應(yīng)，可實現(xiàn)汽車行業(yè)安全產(chǎn)品開發(fā)所需的最高水平檢查和嚴(yán)格性。為此，ADI與知名值得信賴的認(rèn)證實驗室TüV-Nord合作，評估我們的內(nèi)部開發(fā)政策和流程。這導(dǎo)致我們的政策和流程經(jīng)過審查，以完全符合新標(biāo)準(zhǔn)ISO 21434。

從設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格審查

遵循我們在wBMS產(chǎn)品設(shè)計中的系統(tǒng)流程，進行了威脅評估和風(fēng)險分析（TARA），以根據(jù)客戶打算如何使用產(chǎn)品來繪制威脅態(tài)勢。通過了解系統(tǒng)的功能以及在其生命周期內(nèi)使用的各種方式，我們可以確定哪些關(guān)鍵資產(chǎn)需要保護以及哪些潛在威脅。

TARA 技術(shù)有多種選擇，包括著名的 Microsoft STRIDE 方法，該方法試圖通過考慮單詞 STRIDE 縮寫的六種威脅來對威脅進行建模：Spoofing、Tampering、Repudiation、Ininformation disclosure 、Denial of Service和 E提升特權(quán)。然后，我們可以將其應(yīng)用于構(gòu)成wBMS系統(tǒng)的組件的不同接口，如圖5所示。這些接口是數(shù)據(jù)和控制流路徑上的自然停止，潛在攻擊者可能會未經(jīng)授權(quán)訪問系統(tǒng)資產(chǎn)。在這里，通過扮演攻擊者并問自己每個威脅在每個接口上的適用性以及原因，我們可以繪制出可能的攻擊路徑，并確定威脅發(fā)生的可能性以及如果成功的后果可能有多嚴(yán)重。然后，我們在不同的生命周期階段重復(fù)這一思維過程，因為威脅的可能性和影響可能會因產(chǎn)品所處的環(huán)境而異（例如，倉庫與部署）。這些信息將指出需要采取某些對策。

以部署期間無線小區(qū)監(jiān)視器和wBMS管理器之間的無線通道為例，如圖5所示。如果資產(chǎn)是來自無線蜂窩監(jiān)視器的數(shù)據(jù)，并且擔(dān)心數(shù)據(jù)值泄漏給竊聽者，那么我們可能希望在數(shù)據(jù)通過無線通道時對其進行加密。如果我們擔(dān)心數(shù)據(jù)在通過通道時被篡改，那么我們可能希望使用數(shù)據(jù)完整性機制（例如消息完整性代碼）來保護數(shù)據(jù)。如果擔(dān)心的是確定數(shù)據(jù)來自何處，那么我們將需要一種方法來向wBMS管理器驗證無線蜂窩監(jiān)視器。

通過本練習(xí)，我們可以確定wBMS系統(tǒng)的關(guān)鍵安全目標(biāo)，如圖6所示。這些目標(biāo)將需要一些機制來實施。

人們經(jīng)常問“我們在選擇實現(xiàn)特定安全目標(biāo)的機制方面走多遠(yuǎn)？如果添加更多的對策，幾乎肯定會改善產(chǎn)品的整體安全狀況，但成本很高，并可能給使用該產(chǎn)品的最終消費者增加不必要的不便。一種常見的策略是緩解最容易部署的最可能的威脅。傾向于針對更高價值資產(chǎn)的更復(fù)雜的攻擊可能需要更強大的安全對策，但這些措施極不可能發(fā)生，因此如果實施，回報率較低。

圖5.wBMS 的威脅面注意事項。

例如，在wBMS中，在車輛行駛時對IC組件進行物理篡改以訪問電池數(shù)據(jù)測量值的可能性極小，因為需要訓(xùn)練有素的機械師，具有深厚的電動汽車電池知識，以便在汽車行駛時對汽車部件進行體操。如果存在，現(xiàn)實生活中的攻擊者可能會嘗試更簡單的路徑。對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的常見攻擊類型是拒絕服務(wù) （DoS） 攻擊，即剝奪用戶的產(chǎn)品效用。您可以創(chuàng)建一個便攜式無線干擾器來嘗試干擾wBMS功能（硬），但您也可以讓空氣從輪胎中排出（容易）。

將風(fēng)險與一組適當(dāng)?shù)木徑獯胧┻M行協(xié)調(diào)的步驟稱為風(fēng)險分析。通過權(quán)衡引入適當(dāng)對策前后相關(guān)威脅的影響和可能性，我們可以確定殘余風(fēng)險是否已被合理地最小化。最終結(jié)果是，安全功能僅在需要且成本水平客戶可接受的情況下被合并。

wBMS的TARA指出了wBMS安全的兩個重要方面：設(shè)備級安全和無線網(wǎng)絡(luò)安全。

任何安全系統(tǒng)的第一條規(guī)則都是“保密你的密鑰！這意味著無論是在設(shè)備上還是在我們的全球制造業(yè)務(wù)中。ADI的wBMS器件安全性考慮了IC上的硬件、IC和低級軟件，并確保系統(tǒng)能夠安全地從不可變存儲器啟動到可信平臺，以便代碼運行。所有軟件代碼在執(zhí)行之前都經(jīng)過身份驗證，任何現(xiàn)場軟件更新都需要預(yù)安裝憑據(jù)的授權(quán)。在車輛中部署系統(tǒng)后，禁止回滾到軟件的先前（可能易受攻擊）版本。此外，一旦系統(tǒng)部署，調(diào)試端口就會被鎖定，從而消除了未經(jīng)授權(quán)的后門訪問系統(tǒng)的可能性。

網(wǎng)絡(luò)安全旨在保護wBMS單元監(jiān)控節(jié)點與電池組外殼內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理器之間的無線通信。安全性從網(wǎng)絡(luò)加入開始，其中檢查所有參與節(jié)點的成員資格。這可以防止隨機節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，即使它們碰巧在物理上靠近。在應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)管理器相互驗證節(jié)點將進一步保護無線通信通道，使中間人攻擊者無法偽裝成管理器的合法節(jié)點，反之亦然。此外，為了確保只有預(yù)期的接收者才能訪問數(shù)據(jù)，基于AES的加密用于對數(shù)據(jù)進行加密加擾，防止信息泄露給任何潛在的竊聽者。

保護密鑰

與所有安全系統(tǒng)一樣，安全的核心是一組加密算法和密鑰。ADI公司的wBMS遵循NIST批準(zhǔn)的準(zhǔn)則，這意味著選擇符合最低安全強度128位的算法和密鑰大小，適用于靜態(tài)數(shù)據(jù)保護（例如AES-128、SHA-256、EC-256），并使用IEEE 802.15.4等經(jīng)過良好測試的無線通信標(biāo)準(zhǔn)中的算法。

器件安全中使用的密鑰通常在ADI的制造過程中安裝，永遠(yuǎn)不會離開IC器件。這些密鑰用于確保系統(tǒng)安全，反過來又受到IC設(shè)備的物理保護，無論是在使用中還是在靜止時，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。然后，分層密鑰框架通過將所有應(yīng)用程序級密鑰作為加密 blob 保存在非易失性內(nèi)存中來保護它們，包括網(wǎng)絡(luò)安全中使用的密鑰。

為了便于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的相互認(rèn)證，ADI公司的wBMS在制造過程中為每個wBMS節(jié)點配置了唯一的公鑰-私鑰對和簽名公鑰證書。簽名證書允許節(jié)點驗證它是否正在與另一個合法的ADI節(jié)點和有效的網(wǎng)絡(luò)成員通信，而節(jié)點在密鑰協(xié)議方案中使用唯一的公鑰-私鑰對與另一個節(jié)點或BMS控制器建立安全通信通道。這種方法的一個好處是更容易安裝wBMS，而無需安全的安裝環(huán)境，因為節(jié)點被編程為在部署后自動處理網(wǎng)絡(luò)安全。

相比之下，過去使用預(yù)共享密鑰建立安全通道的方案通常需要安全的安裝環(huán)境和安裝程序來手動編程通信端點的密鑰值。為了簡化和降低處理密鑰分發(fā)問題的成本，為網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點分配默認(rèn)的通用網(wǎng)絡(luò)密鑰通常是許多人采取的捷徑。這往往導(dǎo)致在發(fā)生中斷、中斷的災(zāi)難時吸取慘痛的教訓(xùn)。

隨著OEM生產(chǎn)規(guī)模的擴大，我們能夠利用跨不同EV平臺的不同數(shù)量的無線節(jié)點的相同wBMS，并安裝在必須安全的不同制造或服務(wù)站點，我們傾向于使用分布式密鑰方法，以簡化整體密鑰管理的復(fù)雜性。

結(jié)論

wBMS技術(shù)的全部優(yōu)勢只有在確保從設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)以及電動汽車電池的整個生命周期內(nèi)的安全性時才能實現(xiàn)。從這個角度來看，安全性需要系統(tǒng)級設(shè)計理念，包括流程和產(chǎn)品。

ADI在ISO/SAE 21434標(biāo)準(zhǔn)草案期間預(yù)測了其解決的核心網(wǎng)絡(luò)安全問題，并將其納入我們自己的wBMS設(shè)計和開發(fā)理念。我們很自豪能成為首批在我們的政策和流程上實現(xiàn) ISO/SAE 21434 合規(guī)性的技術(shù)供應(yīng)商之一，目前正在接受 wBMS 技術(shù)的最高網(wǎng)絡(luò)安全保證級別的認(rèn)證。

審核編輯：郭婷