【導讀】只有從流程到產(chǎn)品確保系統(tǒng)安全性，wBMS技術(shù)的全部優(yōu)勢才能實現(xiàn)。在與電動汽車(EV)車廠的早期對話中，就無線電池管理系統(tǒng)(wBMS)的技術(shù)和商務方面的挑戰(zhàn)似乎令人生畏，但回報卻非常豐厚，不容忽視。無線連接相對于有線/電纜架構(gòu)的許多固有優(yōu)勢已經(jīng)在無數(shù)商業(yè)應用中得到證明，BMS是又一個明確要拋棄線纜的候選領域。
圖1.使用無線電池管理系統(tǒng)(wBMS)的電動汽車
更輕巧、模塊化、緊湊型電動汽車電池組的前景——最終擺脫繁瑣的通信線束——已被廣泛接受。通過消除高達90%的電池組布線和15%的電池組體積，整車的設計和尺寸得以顯著簡化，物料清單(BOM)成本、開發(fā)復雜性和相關(guān)的人工安裝/維護工作也大幅減少。
更重要的是，單一無線電池設計可以很容易在車廠的整個EV車隊中進行擴展，而無需針對每個品牌和型號進行廣泛且成本高昂的電池組線束重新設計。借助wBMS，車廠可以自由修改其車架設計，而不用擔心需要重新布置電池組內(nèi)的大量BMS布線。
從長遠來看，車輛重量和電池組尺寸的持續(xù)減小對于未來幾年延長電動汽車的續(xù)航里程至關(guān)重要。因此，wBMS技術(shù)將在幫助車廠提升續(xù)航能力方面發(fā)揮重要作用，進而幫助克服消費者長期揮之不去的電動汽車里程焦慮。
這不僅有望刺激電動汽車整體的市場采用率的提升，而且還使車廠有機會憑借其實現(xiàn)長續(xù)航的實力躍入電動汽車市場領導地位。展望未來，這仍將是電動汽車車廠的一個主要差異化因素。關(guān)于優(yōu)勢的更多詳細說明和市場分析，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”1。
新安全標準
要兌現(xiàn)wBMS的承諾，需要克服許多挑戰(zhàn)。當汽車行駛時，wBMS中使用的無線通信需要對干擾具有足夠的魯棒性，系統(tǒng)必須在所有情況下都是安全的。但是，僅靠魯棒和安全的設計可能不足以對抗頑固的攻擊者——這就是系統(tǒng)安全性發(fā)揮作用的地方。
如是城市還是農(nóng)村地區(qū)），是否有人在車內(nèi)使用另一個同頻段的無線設備，都會導致干擾源發(fā)生變化。電池組內(nèi)的反射也會降低性能，具體取決于用于封裝電池的電池組的材料。wBMS信號很可能會波動，在自然條件下通信可能會被破壞，更不用說面對惡意攻擊者了。
如果wBMS通信因為某種原因被中斷，汽車可以回到“安全模式”，降低性能以允許駕駛員采取行動，或者當wBMS通信完全丟失時，汽車能夠安全停車。這可以通過適當?shù)陌踩O計來實現(xiàn)，考慮系統(tǒng)中所有可能的故障模式，并實現(xiàn)端到端安全機制以應對組件隨機故障。
但是，安全設計并未考慮惡意行為者利用該系統(tǒng)達到某種目的的可能性，包括遠程控制車輛。在2016年黑帽會議期間，研究人員對一輛運動中的汽車展示了這種可能性，通過車輛網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了遠程接入。因此，只有無線魯棒性和故障安全設計是不夠的，還需要抵御攻擊的安全性。黑帽演示是一個有價值的教訓，表明汽車中的未來無線系統(tǒng)需要以某種方式進行設計，使其不能作為另一個遠程入口點被利用。相比之下，常規(guī)有線電池組不提供遠程接入，要獲得對電池數(shù)據(jù)的訪問權(quán)，黑客需要以物理手段接入車輛中的高電壓環(huán)境。
在電動汽車電池的全壽命周期中，還可能出現(xiàn)其他安全挑戰(zhàn)，如圖2所示。ADI公司的wBMS設計方法注重了解電動汽車電池經(jīng)歷的不同階段——從出廠到部署和維護，最后到下一次壽命或壽命終結(jié)。這些使用場景定義了wBMS必須支持的各種功能。例如，防止未經(jīng)授權(quán)的遠程訪問是在電動汽車部署期間的一個考慮事項，但在制造過程中需要更靈活的訪問。另一個例子是在維修期間，修理權(quán)法律要求提供一種方式以便車主解決電池或相關(guān)wBMS的故障。這意味著必須支持wBMS中的軟件以合法方式更新，并且當汽車離開維修站時，更新機制不應損害汽車的安全性。
此外，當電動汽車電池不再符合電動汽車性能標準時，這些電池有時會被重新部署到能源部門。這需要將電動汽車電池的所有權(quán)安全轉(zhuǎn)移到下一生命階段。電池是沒有內(nèi)置智能的設備，因此與之相伴的wBMS的責任在于，實施適當?shù)陌踩呗砸宰詈玫貫殡妱悠囯姵貕勖芷诜铡＿^渡到第二生命（梯次利用）之前，必須安全擦除第一生命的所有秘密 。
ADI公司預見了這些問題并按照我們自己的核心設計原則（即特別注重維護和增強從流程到產(chǎn)品的安全完整性并進行詳盡審查）加以解決。與此同時，ISO/SAE 214342標準“道路車輛：網(wǎng)絡安全工程”經(jīng)過過去三年的開發(fā)，已于2021年8月正式發(fā)布。它定義了類似的窮舉式端到端過程框架，網(wǎng)絡安全保證分為四級。車廠和供應商的在1到4的尺度上評分，4表示最高級別的符合性（參見圖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框架與CAL 4期望
ADI公司的wBMS方法響應了ISO/SAE 21434要求，實施了汽車行業(yè)安全產(chǎn)品開發(fā)所需的最高水平的檢查和嚴謹性。為此目的，ADI公司聘請了著名的可信認證實驗室 TüV-NORD來評估我們內(nèi)部的開發(fā)策略和流程。我們的策略和流程經(jīng)過審查，完全符合新標準ISO 21434，如圖4所示。
圖4.TüV-Nord證書
從器件到網(wǎng)絡的嚴格審查
在wBMS產(chǎn)品設計的系統(tǒng)化流程之后，我們執(zhí)行威脅評估和風險分析(TARA)，以根據(jù)客戶意圖使用該產(chǎn)品的方式來明確威脅概況。通過了解系統(tǒng)的用途，以及在壽命期間它的各種使用方式，我們可以確定哪些關(guān)鍵資產(chǎn)需要防范哪些潛在的威脅。
TARA技術(shù)有多種選擇，包括眾所周知的 Microsoft STRIDE 方法，即通過考慮縮寫詞STRIDE所表示的六大威脅來對威脅建模： 欺騙(S)、篡改(T)、否認(R)、信息披露(I)、拒絕服務(D)和權(quán)限提升(E)。然后，我們可以將其應用于構(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暫停點，潛在攻擊者可能會藉此對系統(tǒng)資產(chǎn)進行未經(jīng)授權(quán)的訪問。在這種情況下，通過扮演攻擊者并詢問自己，每個威脅與每個接口的相關(guān)程度有多高以及為什么，我們可以找出可能的攻擊路徑，并確定威脅發(fā)生的可能性，以及如果攻擊得逞，后果可能有多嚴重。然后，我們在生命周期的不同階段重復這個思維過程，因為可能的威脅和影響因產(chǎn)品所處的環(huán)境（例如倉庫與部署）而有所不同。此信息將指出需要某些對策。
以部署期間的無線蜂窩監(jiān)視器與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)，擔心將數(shù)據(jù)值泄漏給竊聽者，那么我們可能需要在數(shù)據(jù)通過無線通道時加密數(shù)據(jù)。如果我們擔心數(shù)據(jù)通過通道被篡改，那么可能需要利用數(shù)據(jù)完整性機制（例如消息完整性代碼）保護數(shù)據(jù)。如果擔心有人識別出數(shù)據(jù)來自何處，那么我們需要一種方法來對與wBMS管理器通信的無線蜂窩監(jiān)視器進行身份驗證。
通過此練習，我們就能明確wBMS系統(tǒng)的關(guān)鍵安全目標，如圖6所示。這些目標將要求實施一些機制。
很多時候，我們要回答這樣一個問題：“為了實現(xiàn)特定安全目標而選擇某些機制時，我們愿意付出多大代價？”如果增加更多應對措施，則幾乎肯定會改善產(chǎn)品的整體安全態(tài)勢，但代價會很大，而且可能給使用產(chǎn)品的最終消費者帶來不必要的不便。一個常見策略是減輕可能性最大且最容易部署的威脅。更復雜的攻擊往往針對較高價值的資產(chǎn)，可能需要更強的安全對策，但這種情況極不可能發(fā)生，因此如果實施的話，回報并不劃算。
圖5.wBMS的威脅面考慮
圖6.wBMS的安全目標
例如，在wBMS中，當車輛正在道路上行駛時，對IC器件進行物理篡改以獲得對電池數(shù)據(jù)測量的訪問權(quán)是極不可能發(fā)生的，因為要對行駛中的汽車的部件動手腳，需要一個訓練有素且對電動汽車電池有深厚了解的機修工。如果存在更容易的途徑，現(xiàn)實生活中的攻擊者很可能會嘗試這樣的路徑。對網(wǎng)絡系統(tǒng)的常見攻擊類型是拒絕服務(DOS)攻擊——使用戶無法使用產(chǎn)品。您可以創(chuàng)建便攜式無線干擾器來嘗試干擾wBMS功能（很難），但您也可以給車胎放氣（容易）。
利用一組適當?shù)木徑獯胧獙︼L險的步驟稱為風險分析。通過衡量相關(guān)威脅在引入適當對策前后的影響和可能性，我們可以確定殘留風險是否已被合理地最小化。最終結(jié)果是，之所以納入安全特性，是因為這些安全特性是必須的，并且其成本是客戶可以接受的。
wBMS的TARA指向wBMS安全性的兩個重要方面：器件級安全性和無線網(wǎng)絡安全性。
任何安全系統(tǒng)的第一規(guī)則都是“維護密鑰安全！”這意味著，在器件上和我們的全球制造業(yè)務中都要如此。ADI公司的wBMS器件安全性考慮了硬件、IC和IC上的低級軟件，并確保系統(tǒng)能夠從無法改變的存儲器安全引導到可信平臺以供運行代碼。所有軟件代碼在執(zhí)行之前都要進行身份驗證，任何現(xiàn)場軟件更新都需要預先安裝的憑據(jù)提供授權(quán)。系統(tǒng)部署到車輛中之后，禁止回滾到先前（且可能易受攻擊）的軟件版本。此外，系統(tǒng)部署后便要鎖定調(diào)試端口，從而消除通過未經(jīng)授權(quán)的后門訪問系統(tǒng)的可能性。
網(wǎng)絡安全性旨在保護wBMS單元監(jiān)視節(jié)點與電池包外殼內(nèi)的網(wǎng)絡管理器之間的無線通信。安全性從加入網(wǎng)絡開始，所有參與節(jié)點的成員資格都要進行檢查。這樣可以防止隨機節(jié)點加入網(wǎng)絡，哪怕它們碰巧是附近的節(jié)點。在應用層對與網(wǎng)絡管理器通信的節(jié)點進行相互認證，將能進一步保護無線通信通道，使得中間人攻擊者無法充當合法節(jié)點來與管理器通信，反之亦然。此外，為了確保只有目標接收者可以訪問數(shù)據(jù)，使用基于AES的加密來擾亂數(shù)據(jù)，防止信息泄漏給任何潛在的竊聽者。
保護密鑰
同所有安全系統(tǒng)一樣，安全性的核心是一組加密算法和密鑰。ADI公司的wBMS遵循NIST批準的指導方針，這意味著所選的算法和密鑰大小應與適合靜態(tài)數(shù)據(jù)保護的最低安全強度128位一致（例如AES-128、SHA-256、EC-256），并使用經(jīng)過充分測試的無線通信標準（例如IEEE 802.15.4）中的算法。
保障器件安全所用的密鑰通常是在ADI制造過程中安裝的，并且永遠不會離開IC器件。確保系統(tǒng)安全性的這些密鑰則由IC器件在物理上加以保護，無論在使用時還是未使用時，未經(jīng)授權(quán)的訪問均會被阻止。然后，分層密鑰框架將所有應用層密鑰作為加密二進制大對象(blob)保存在非易失性存儲器中保護起來，包括網(wǎng)絡安全中使用的密鑰。
為了便于網(wǎng)絡中節(jié)點的相互認證，ADI的wBMS在制造期間將一個唯一公鑰密鑰對和一個簽名的公鑰證書置入了每個wBMS節(jié)點。通過簽名證書，節(jié)點可以驗證與之通信的是另一個合法ADI節(jié)點和有效網(wǎng)絡成員，而唯一公鑰密鑰對由該節(jié)點用在密鑰協(xié)議方案中，以與另一個節(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wBMS安裝更容易，不需要安全安裝環(huán)境，因為節(jié)點被設定為在部署后自動處理網(wǎng)絡安全性。
相比之下，過去使用預共享密鑰建立安全通道的方案通常需要一個安全的安裝環(huán)境和安裝程序來手動寫入通信端點的密鑰值。為了簡化和降低處理密鑰分布問題的成本，為網(wǎng)絡中的所有節(jié)點分配一個默認公共網(wǎng)絡密鑰通常是許多人采用的捷徑。這常常導致“一處崩潰，滿盤崩潰”的災難發(fā)生，必須引以為戒。
隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，車廠需要能夠?qū)⒕哂胁煌瑪?shù)量無線節(jié)點的相同wBMS用于不同的電動汽車平臺，并安裝在不同的安全制造或維修場所，我們傾向使用分布式密鑰方法來降低整體密鑰管理的復雜性。
結(jié)論
只有在電動汽車電池的全壽命周期內(nèi)確保從器件到網(wǎng)絡的安全性，才能實現(xiàn)wBMS技術(shù)的全部優(yōu)勢。考慮到這一點，安全性要求采取系統(tǒng)級設計理念，涵蓋過程和產(chǎn)品。
ADI公司預料到了ISO/SAE 21434標準在草案期間解決的核心網(wǎng)絡安全問題，并在我們自己的wBMS設計和開發(fā)過程中采納了相關(guān)應對措施。我們自豪地成為首批在政策和流程方面實現(xiàn)ISO/SAE 21434合規(guī)性的技術(shù)供應商，目前我們的wBMS技術(shù)正在接受最高網(wǎng)絡安全保障等級認證。
參考電路
1Shane O’Mahony。“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” 。ADI公司，2021年11月。
2ISO/SAE 21434:2021 - 道路車輛。ISO，2021年。
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