密码学和量子计算
曾经被认为是科幻小说的量子计算 (QC) 似乎将在未来十年进入市场。虽然目前的量子计算机功能非常有限，但它们非常真实，据估计，到 2030 年代中期，它们将在多个行业得到广泛应用。谷歌声称它已经拥有一个能够快速执行以前只能在很长一段时间内才能完成的计算的量子处理器。
在可预见的未来，量子计算机可能会在技术应用中发挥积极作用，这种推测并不牵强。起初，只有世界强国和巨型组织（如谷歌、亚马逊等）才会拥有大规模、全面运行的量子计算机，但后来即使是普通用户也可能通过付费云服务（一些容量非常有限的 QC 服务已经可用)获得量子计算能力。
量子计算对密码学乃至网络安全的影响是巨大的。Shor 的算法大大减少了分解大数所需的操作次数，有效地使最流行的非对称加密方案（RSA 和 ECC）变得不安全。Grover 的算法显著降低了 AES 等对称方案的有效性，需要开发人员将密钥大小加倍才能达到相同的安全级别。这意味着在 QC 对潜在攻击者可用之前，使用 RSA 或 ECC 的系统必须升级到更安全的加密方案（而依赖 AES 的系统将需要增加密钥大小）。出于这个原因，我们现在正在见证后量子密码学 (PQC) 的兴起，即一组密码方案，例如 Kyber和 Falcon，它们都不容易受到任何已知的QC攻击。
为什么车辆极易受到量子计算风险的影响？
由于各种原因，现代车辆以多种方式与外界相连。由于使用了新的车辆技术，例如车辆对基础设施和车辆对车辆的通信，这种趋势预计在未来几年会增加。除了外部通信，车辆还拥有车内不同计算机化组件（称为电子控制单元或 ECU）之间的各种接口，所有这些都需要安全的信息传递。
密码学在整个汽车领域被广泛使用，作为保护数据机密性以及验证其来源身份的一种手段。常见示例包括无线下载固件更新 (FOTA)、远程发动机点火、将个人移动设备连接到信息娱乐单元、安全启动、EV 充电期间的电网交易、车队管理和车载系统之间的通信。
尽管 QC 影响所有现代数字系统，但由于以下几个原因，车辆更容易受到 QC 的危害：
1.车辆的生命周期相对较长。如今进入市场的新车将在路上行驶大约 15 年，目前美国乘用车的平均车龄约为 12 年，并且还在不断增加。预计电动汽车的使用寿命会更长。
2.ECU 通常比个人计算机和移动设备更难更新。对于它们的加密功能尤其如此，这些功能通常在称为硬件安全模块 (HSM) 或安全硬件扩展 (SHE) 的专用硬件组件中实现，因此如果不更改硬件就不可能更改加密方案。一些 ECU 可以无线无缝更新，但许多 ECU 只能使用专用工具在注册服务站进行更新。
3.车辆由几十个（有时超过 100 个）ECU 组成，近年来 ECU 的数量不断增加。在大多数情况下，必须在一辆车内升级多个不同的 ECU 以确保其安全。
这种旧的软硬件结合，比笔记本电脑和智能手机更长的寿命，以及更新多个系统的复杂性，造成了一种情况，即容易受到与 QC 相关的攻击的车辆可能会继续在街上行驶多年。
快进到2035年：未来的攻击场景
通常情况下，一个漏洞一直没有被修复，是因为开发人员不相信它会在现实世界中产生影响。
有一个故事可以帮助客户了解安全问题的潜在风险，以下未来场景说明了事件链以及支持 QC 的攻击对车队的潜在影响。
假设现在是 2035 年，领先的云服务提供商“Gamamzone”刚刚推出了在线量子计算服务，落后于搜索引擎帝国“Boogle”三个月前推出的类似平台。只需每小时 1000 美元的低价，任何人都可以在功能齐全的远程量子计算机上运行他们的程序，该计算机能够在几小时内破解任何密码方案。
Bobby Malicious 是一个脾气暴躁、企图造成破坏的网络恐怖分子，他将旧车的 FOTA 机制确定为一个很有前途的攻击媒介。他的目标是 2025 AutoCar Plutonium，这是一款较旧的车型，容易受到后量子攻击，但在路上仍有超过 100,000 个实例。他设法筹集到必要的资金，并利用量子计算机轻松绕过所有密码障碍。作为一家大型汽车网络安全公司的前雇员，攻击者开发了一个恶意更新并将其上传到所有具有互联网连接的 2025 Plutonium。攻击者现在可以完全控制数以万计的车辆，并能够远程固定它们，或者更糟，比如让它们在行驶中猛踩刹车。由于他的罪恶行为，Bobby被加冕为网络恐怖主义之王，
虽然这个故事比明天的新闻广播更接近科幻小说，但不幸的是，在不久的将来，它的许多方面可能会被证明是非常真实的。
降低汽车行业的量子计算风险的措施
现在我们已经看到危险是真实存在的，让我们讨论可能的缓解措施。解决此问题的简单且更明显的方法是用后量子密码 (PQC) 方案替换汽车领域的密码方案，包括现有车辆和开发中的车辆。
未来几年，当 PQC 成为新标准时，这种方法肯定会被采用（与汽车领域的 PQC 相关的工作已经在进行中）。但是，这种解决方案可能会被证明是不利的，原因如下：
1.如前所述，在许多情况下，更新现有 ECU 使其具有 PQC 功能可能很困难甚至不可能。
2.尽管已经提出了一些架构，但HSM 仍然没有配备 PQC 功能。由于车辆严重依赖 HSM 进行加密，因此某些 ECU 不可能在 HSM 具备 PQC 功能之前具备 PQC 功能。
3.PQC 方案没有像 RSA 和 ECC 等前量子对应方案那样得到充分证明。这意味着以 PQC 方案为基础的数学问题更有可能变得不像以前想象的那么难，从而使它们使用起来不安全。实施这些方案的图书馆没有经过网络安全专家的持续审查，更有可能包含漏洞和安全问题。PQC 方案目前正在接受 NIST 的检查，但这个过程非常复杂，尚未结束。
综上所述，将现有ECU的密码组件更新为PQC并设计仅具有PQC功能的新ECU尚不可行，也不一定是最明智的选择。
尽管如此，在明确的方法变得可行之前，仍有许多方法可以降低 QC 带来的安全风险。在技术领域，这里有一些建议：
1.将对称加密方案中的密钥大小加倍，例如 AES（本质上是按照NIST对密钥长度的建议将AES密钥长度增加到256）。
2.在可能的情况下，用 PQC 方案补充现有的密码方案。在这种情况下，前量子密码方案和 PQC 都必须妥协才能使机制失效。这应该谨慎实施以避免单点故障。
3.在无法添加 PQC 方案的情况下，考虑使用对称方案补充非对称加密方案，例如用于身份验证的 HMAC。
从管理的角度来看，QC 风险意识对汽车行业至关重要，在设计新的 ECU 或车辆架构时应予以考虑。这将使汽车制造商能够使 QC 易受攻击的 ECU 远离安全关键部件，从而减少 QC 对车辆的影响。同时，应向 HSM 制造商施加压力，要求其尽快推出具有 PQC 功能的面向汽车的 HSM。此外，制造商应提前准备更新、升级和召回计划，为潜在的基于 QC 的攻击做好准备。
当然，这些都不是完美的解决方案，但它们可以大大减轻QC对汽车行业造成的冲击。
结语
总结一下，当前的发展趋势表明，量子计算机的到来可能比您想象的要早，并且必须考虑这种新计算范式的安全隐患。
量子计算可能会对汽车行业产生重大影响，因为它比其他行业更容易受到 QC 相关风险的影响。因此，汽车制造商应该尽快开始考虑量子计算可能产生的影响。新设计应包含加密方案、功能和恢复计划，以应对在可预见的未来功能齐全且可实现的量子计算机的到来。
