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嵌入式实验室一篇论文被《汽车工程》接收：提出TSN安全通信框架

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《汽车工程》2023年第6期发表了湖南大学谢国琪教授团队研究成果"面向汽车 Zonal 架构的 TSN 轻量级认证与授权通信框架"一文。目前 TSN 标准所规定的安全防护模块一旦边界被攻破，整个汽车 E/E 架构容易瘫痪，论文针对此问题提出了一种面向汽车 Zonal 架构的 TSN 轻量级认证与授权通信框架，该框架可实现防劫持、防篡改及防监听的一体化信息安全通信。最后，试验结果表明该框架的安全性通过了验证；且该框架在计算和通信开销方面均优于现有汽车信息安全通信框架。

一、研究背景

汽车智能化需求推动了汽车电子电气（electrical/electronic，E/E）架构向基于时间敏感网络（time-sensitive networking，TSN）的区域（Zonal）架构演进，但网联化发展给数据传输带来了严重的信息安全问题。一方面，TSN 标准所提供的流过滤器、流控门和流计量器 3 层信息防护模块本质上是一种边界防火墙技术，一旦边界被攻破，整个架构将暴露并因此瘫痪；另一方面，该防护技术因存在多层处理而产生过多的计算和通信开销。因此，TSN 标准所规定的安全防护模块不适合汽车 E/E 架构。

二、研究内容

1. 汽车 Zonal 架构构建：基于 NXP 车规级 TSN 交换芯片 SJA1105Q（作为中央控制器）与 NXP 车规级 SoC LS1028A（作为区域控制器）构建了 Zonal 架构原型平台。

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图1 汽车 Zonal 架构图

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图2 Zonal 架构拓扑结构

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图3 Zonal 架构网络连接的原型平台

2. TSN 轻量级认证与授权通信框架：TSN 轻量级认证与授权框架通过身份认证、通信授权和安全通信，有效地为汽车网络提供了防劫持、防篡改及防监听的一体化防护方案。

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图4 TSN 轻量级认证与授权通信框架示意图

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图5 身份认证

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图6 通信授权

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图7 安全通信

3. 安全性验证和实验评估： 主要采用形式化验证工具 ProVerif 验证论文所提出的通信框架的安全属性，并从计算开销和通信开销两方面评估所设计的通信架构和LASAN。

三、研究结果

1. 安全性验证：使用 ProVerif 工具验证所提出的 TSN 轻量级认证与授权通信框架的安全属性，其中包括身份认证性、授权密钥和通信密钥的机密性，工具输出结果均为 true，说明该通信架构能够满足响应的安全属性。

2. 计算开销对比：在认证、通信授权和安全通信3个阶段，论文的通信框架的计算开销均优于 LASAN，表明论文的设计更加轻量。

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3. 通信开销对比：论文设计的通信架构的通信开销均小于 LASAN。

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创新点与意义

论文提出一款汽车 Zonal 架构并基于该架构设计了 TSN 轻量级认证与授权框架用来增强汽车网络通信的安全性。TSN 轻量级认证与授权框架通过身份认证、通信授权和安全通信，有效地为汽车网络提供了防劫持、防篡改及防监听的一体化防护方案。论文采用 ProVerif 工具验证了 TSN 轻量级认证与授权框架的安全性；并测量了框架的计算和通信开销，结果表明二者均优于现有汽车信息安全通信框架。论文所提出的通信框架为 TSN 网络安全通信提供了可行参考，具有重要的工程应用价值与指导意义。

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