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1.什么是AES：

AES 是一种分组密码算法。基于 AES，衍生出了多种工作模式（如 ECB、CBC、CTR、CFB、OFB、GCM）用于加密，以及多种认证算法（如 CMAC、GCM）用于完整性校验。本篇文章重点讲解项目中常见的 ECB、CBC 和 CMAC，以下我只从目前项目实践中常见的算法讲解。在讲解之前我们需要了解加密和认证的区别。AES-ECB 和 AES-CBC 是加密算法，即明文使用固定的密钥和填充方式加密可以得到唯一的密文，而密文通过相同的密钥和填充方式可以还原出明文；AES-CMAC 是认证算法，它是单向性的，明文可以通过密钥计算出一个 MAC 值，但是 MAC 却不可以还原出明文。

2.它们的原理：

ECB、CBC、CMAC 每次计算都是以 128bit（16byte）为 1 Block。

ECB 模式每一块都是独立加解密：

1. 输入的明文是多大的长度（不是 16byte 的倍数会根据填充方式填充到 16byte 倍数），加密输出的密文就是多大的长度（16byte 的倍数）。

2. 输入的密文不是 16byte 倍数直接报错。

加密：

明文 P1 → AES 加密 → 密文 C1

明文 P2 → AES 加密 → 密文 C2

解密：

密文 C1 → AES 解密 → 明文 P1

密文 C2 → AES 解密 → 明文 P2

CBC 模式需要前一块的密文作为反馈。第一块明文在加密前与IV（初始化向量）异或，IV 必须随机且不可预测，且对同一密钥不应重复使用。

1.输入的明文是多大的长度(不是16byte的倍数会根据填充方式填充到16byte倍数)，加密输出的密文就是多大的长度(16byte的倍数)。

2.输入的密文不是16byte倍数直接报错。

加密：

明文 P1→ 与 IV 异或 → AES 加密 → 密文 C1
明文 P2 → 与 C1 异或 → AES 加密 → 密文 C2
明文 P3 → 与 C2 异或 → AES 加密 → 密文 C3

解密：

密文 C1 → AES 解密 → 与 IV 异或 → 明文 P1
密文 C2→ AES 解密 → 与 C1 异或 → 明文 P2
密文 C3→ AES 解密 → 与 C2 异或 → 明文 P3

CMAC模式是基于CBC模式的消息认证

无论输入长度多大，标准输出128bit(16字节)的认证值，但实际使用中常根据协议要求截断（如截取前8字节或6字节）或不截断

3.它们的使用场景：

在项目中，ECB和CBC使用得很少，主要是CMAC用得多

ECB和CBC主要在SHE密钥注入的时候会使用到，这是另外一个章节了，想具体了解的可以自行查看，我只讲简要的：在SHE规范中，密钥是非常重要的，它在传输过程中一定是要严格保密的，所以SHE密钥注入孕育而出。在注入密钥的时候AES-CBC参与到M2的计算。M2的明文结构为：28bit CID + 5bit FID + 95bit 0 + 128bit LoadKey，共256bit。使用派生密钥K1以IV=0进行AES-CBC加密，得到M2，并做为上位机发送的一部分发送给ECU；AES-ECB参与到M4的计算。M4P的明文结构为：28bit CID + 1bit固定值1 + 99bit 0，共128bit。使用派生密钥K3进行AES-ECB加密，得到M4，并做为ECU返回验证的一部分发送给上位机。

CMAC在项目中使用得非常多：

1.安全诊断27服务：

1）上位机通过27服务发送解锁请求，MCU收到上位机请求后通过HSM随机生成16byte的种子Seed,并返回挑战种子。

2）上位机收到种子Seed后，使用AES-27-Key通过AES-CMAC算法计算出认证值CMAC，并发送认证值CMAC到MCU。

3）MCU使用AES-27-Key通过AES-CMAC算法计算出认证值CMAC，对比是否一致。

2.基于对称算法方案的安全启动：以下安全启动方案与标准方案有所区别，只是我目前接触到项目的使用方案

1） 步骤一：系统复位后，MCU开始启动。Host 核心发送 PBL 的启动地址和大小给 HSM。HSM 通过 AES_KEY 计算 PBL 的MAC 值，并与存储的 PBL MAC 对比一致从而判断是否校验通过。

a）校验通过，则进行步骤二。

b）检验失败，则启动失败。

2）步骤二：HSM将比较结果返还Host，Host执行PBL程序，PBL发送SBL的启动地址和大小给HSM。HSM通过AES_KEY使用算法计算SBL的MAC值，并与存储的 SBL MAC 对比一致从而判断是否校验通过

a）校验通过，则进行步骤三。

b）检验失败，则启动失败。

3）步骤三：HSM将比较结果返还PBL，PBL执行SBL程序，并发送APP 的启动地址和大小给HSM。HSM通过AES_KEY使用算法计算APP的MAC值，并与存储的 APP MAC 对比一致从而判断是否校验通过

a）校验通过，MCU执行APP程序。

b）检验失败，则启动失败。

3.安全日志：

安全日志应当缓存或存储事件及信息，以支持正确的故障和调试分析，识别并分析系统如何受到危害，追溯攻击者的行为

安全日志使用AES-128-CMAC算法计算（时间戳，事件类型，事件标号，事件计数器）的MAC值（截取前六字节），并将它们存储到EEPROM里面

4.SECOC:

因为SECOC这一块我们没有用到，所以就不做详细讲解，它里面涉及的模块非常多，我只讲最主要的： AES-CMAC参与计算CAN ID+原始PDU数据+完整新鲜度值的MAC，并截断MAC值参与发送到总线上

4.常用API以及参数：

下面我是基于NXP HSE讲解AES里面常用的API

accessMode:决定这次调用是单次完成还是流式处理的一步
ONE-PASS模式：一次调用完成全部计算

流模式：

Start：流模式第一步，初始化上下文

Update：流模式中间步，喂数据块（可多次）

Finish：流模式最后一步，输出Tag

streamId:流标识符，用于把Start/Update/Finish多次调用关联到同一个流上下文

macScheme:MAC算法，有CMAC,HMAC,GMAC

keyHandle:密钥句柄，指定用哪个密钥来计算 MAC

inputLength:消息总长度

pInput:指向的消息

pTagLength:输出标签的长度

pTag:输出标签缓冲区的地址

inputSgtType：分散/聚集选项，决定pInput是普通指针还是SGT 列表。

返回值：计算是否成功

5.项目避坑

因为我们是手写的CSM这些模块，不是用工具自动生成的，所以或多或少都会出现一些坑，但这也是一件好事，因为它巩固了我对HSM的理解：

1. HOST与HSM传输的内容一定要定义在共享内存里面，不然HOST传输过去的地址在HSM那边不可访问的话，HSM无法得到正确的结果；同样HSM输出的结果不在共享内存的话,HOST端也不能得到正确的结果