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带你厘清汽车OTA技术原理

2024-01-15 10:44:35 柠檬知道 0

汽车新四化(电动化、智能化、网联化、共享化)是行业公认趋势,在智能化和网联化方面OTA技术成为了不少车企拿来宣传自家产品重要卖点,此时推出的新车如果没有OTA,或许会被当做笑话那么OTA是什么我们如何正确看待OTA技术?我们在购车到底需不需要关注这项技术。

 

OTA技术的英文全称为Over the Air Technology,翻译过来就是空中下载技术。

首先大家要了解什么是OTA,OTA简单的可以理解为远程升级,最早是Android/ target=_blank class=infotextkey>安卓系统手机上推出的,终结了手机软件升级需要连接电脑、然后下载软件、再安装更新的繁复流程。而运用到汽车上也就可以理解为可以远程升级你的车辆软件系统,甚至可以直接升级你的软件来控制整车

几年前的网络速度处理器的制程以及车机系统处在很低级的状态想要通过OTA升级汽车有点不切实际。即便到了现在车用OTA更多是对车载应用、多媒体系统或整车底层系统进行升级。车机内搭载了SIM卡模块或者wifi模块,就可以实现OTA,其实技术并不复杂。

 

与汽车的底盘、发动机不同,软件是很容易进行更新迭代的。以往车辆遇到软件故障或是需要更新,我们需要将车开到4s店让工作人员利用专业电脑修复,但这样做所耗费的人力物力,以及消费者的时间可都不少,而OTA技术可以让用户足不出户就完成车辆升级,相比之下减少成本、还节省了用户时间。

为何OTA技术往往与电动车挂钩

答案简单,因为电动车适合OTA升级。早期的汽车都是纯机械结构,软件不可能对车辆进行升级。所以车用OTA一般是针对娱乐系统、导航等推出在线系统更新。比如更新中控的Android Auto及APPle Carplay车载系统,或者是更新导航地图

不过动车结构相对简单,整车的动力系统、制动系统、电池管理系统等所有跟车辆行驶有关的系统都转向了电子化,OTA随时可以对其进行“控制”、“改写”,只要厂商前期设计时,在核心的三电系统、车机处理器、传感器等方面留出较多的冗余,后期通过软件提升的难度要容易的多。

而且为了实现自动驾驶,不少汽车上安装了大量传感器,汽车厂商能够通过软件利用这些传感器来让车辆有更多功能

 

作为首先在汽车上大规模推进OTA功能的特斯拉在这方面与传统汽车厂商相比领先优势明显,比如此前特斯拉扬言要在纽博格林北环赛道上赢过保时捷, 随后国外知名汽车媒体Top Gear做了一期节目,在节目中对保时捷Taycan Turbo S和特斯拉Model S进行了对比测试。在两车都是原装车的情况下,保时捷Taycan全面胜出。

这一结果让特斯拉CEO埃隆·马斯克非常不满,所以特斯拉将通过OTA升级的形式将Model S的峰值功率提升50马力。如果是燃油车,想要通过OTA升级50马力以当前的技术手段很难实现,不过电动车就另当别论了。另外特斯拉通过OTA百公里加速可以从5.2秒缩短至4.7秒,特斯拉可以通过OTA把刹车距离缩短6米,还可以通过OTA刷出圣诞节彩蛋。

 

正是因为电动车更适合在线升级,结果不少新能源汽车品牌就把OTA当作卖点大肆宣传。如果OTA只能像以前一样升级车机的系统界面、UI、车载APP、多媒体系统,那还怎么突出这些新势力品牌主打的智能汽车概念

为何在传统燃油车上少见OTA

数字化在我们的生活中已经变得极为普遍,汽车同样也在顺应时代变化

一辆车的研发周期通常是3-4年甚至更长,车企在研发过程中会在各种工况和用车环境下进行充分测试,尽可能地发现解决所有问题,然后才推向市场,即便如此,我们还听到汽车大规模召回的消息,足以见得汽车产品可靠性和安全性有多重要。

 

传统燃油车的动力单元非常复杂,喷油量、节气门开合、刹车系统、换挡逻辑、转向比、悬挂风格等等参数标定,耗费了数年甚至上千名工程师的精力心血,调试好量产的状态绝对是在成本范围内的最佳状态。很多改装车玩家改了车之后动力输出不稳定,车辆操控甚至还会下降,就是是因为改变原厂车非常平衡的设定。

大家已经习惯了手机在线升级,不过在燃油车上想要实现并不容易。手机往往为了抢占市场,在功能实现百分之八十或者九十的时候就抢先上市,然后通过OTA来不断完善软件上的问题,从而改善产品BUG。

燃油车想要实现OTA匹配的东西太多,比如发动机的出力特性,传动系统与发动机输出的匹配,又或是驾驶辅助系统的标定,更何况这些核心机构直接决定车辆安全,汽车厂商将“半成品”推向市场是非常不负责任的行为,数码产品如果有缺陷,最多也就是损失功能,汽车有问题或缺陷则会出现严重的安全事故影响的是车主乘客生命财产安全。

 

刷ECU改性能可不是闹着玩的,不像电动系统那么简单直接。传统汽车厂商不是不能OTA,而是愿意,这只是新能源汽车品牌热衷的“宣传卖点”。如奥迪、捷豹I-PACE、奔驰EQC这些豪华品牌的电动车型,仅仅因为不支持整车OTA,所以被某些品牌水军在网络上恶意攻击为“老年代步车”,实在是毫无意义

传统汽车企业即使做纯电产品也是在上市前经历“千锤百炼”的测试,并没有把所谓的OTA放在眼里。

近年汽车OTA升级组件

各大车企已经将ADAS与自动驾驶模块(包括自动泊车和自动变道相关的更新和改进)作为OTA的重要内容。随着辅助/自动驾驶的逐渐成熟,加上国家政策管理,法规保障逐渐完善后,OTA的竞争未来主要在辅助驾驶这一块上。

其次是车机之间的座舱类更新,比如交互更新等出现频率也极高,一方面,目前很多主流应用不是很符合车内场景的使用习惯,车主使用车机的效率还有很大的提升空间;另一方面,车机方面的改进,UI改变都能给车主明显的感知。

 

参与OTA升级的汽车组件

国内外车企OTA升级频率、内容对比:

 

各车企升级OTA频率统计

OTA方案

OTA是一种基于汽车网联的远程升级功能。大多数整车厂以采用第三方OTA方案为主,而非自己开发OTA平台。根据高工智能汽车研究数据显示,目前国内大多数自主品牌及合资品牌仍以采用第三方OTA方案为主,尚未具备足够能力或相应的组织结构来开发、交付及扩展OTA软件平台。

合作模式

供应商与OEM合作趋向灵活,其OTA合作模式主要有三种:

1) 交钥匙工程,搭建软件付费提供端到端整体解决方案;

2) 完全新功能搭建,项目开发验收;

3) 按需(功能模块)付费等。

 

OTA对汽车研发流程和质控体系的影响

OTA技术原理

 

基于对称密钥加密技术

2005年,Mahmud等人在核心期刊IEEE Intelligent Vehicles Symposium提出了一种智能汽车的安全更新技术。提议在原始主机厂、软件供应商(SS)之间共享一组链路密钥。在任何软件更新之前,使用一个链路密钥在软件供应商和车辆之间建立安全连接,形成可信通道。

2012年,Mansour等人设计了一种诊断和安全OTA系统,称为AiroDiag,用于连接车辆。下图为AiroDiag的架构。AiroDiag架构的主要分为:OEM、汽车和云端。AiroDiag采用了对称密钥技术,特别是采用了先进的加密标准来保证软件更新过程中的通信安全。在AiroDiag中,密钥存储在OEM端的数据库中。

带你厘清汽车OTA技术原理

AiroDiag应用始终保持与网络的连接,处理来自车机端的任何连接请求。在AiroDiag中,软件更新过程由客户端触发。一旦触发软件更新过程,车辆首先与OEM建立安全连接。接下来,车辆将告知OEM端当前已安装软件的版本。如果有新软件可用,OEM将触发软件更新过程,并与汽车建立安全连接。

 

基于哈希算法

2008年 Nilsson和Larson在IEEE大会上提出了一种用于车联网的安全OTA固件更新协议。在他的架构中分为了四个实体:车、服务器后端、互联网无线基站。在这里,服务器后端是负责与网联车通信的主要单元。作者先将更新后的二进制文件划分为多个数据块。然后以相反的顺序每个片段进行哈希处理,创建哈希表。

最后,服务器后端使用预共享的加密密钥对的每个数据块进行加密,然后再将它们传输汽车终端。考虑到车辆中有限的资源,后端使用分块哈希加密作为加密技术。尽管这种变法可以确保不会受到窃听、拦截和篡改攻击,但是无法防止拒绝服务攻击。

 

基于区块链技术

2018年,Steger等人在工作中引入了区块链(BC)的架构来解决智能汽车OTA升级的安全和隐私问题。该体系结构的主要实体有:OEM、服务中心、汽车、云服务器和SW主机。该架构中,所有参与的实体组成一个集群,一旦出现了新的OTA包,SW主机上的程序就会触发软件更新过程。

首先,SW主机向云服务器发送一个带有自己签名的存储请求。在验证成功后,云服务器发送一个二次确认包,包括自己的签名和软件上传过程中需要的文件描述符发送到SW主机中。将新软件上传到云服务器后,SW主机在区块中创建一个更新事件其中包含关于新软件在云端位置信息

然后SW主机中使用私钥签署这个事件,并最终将加密的事件广播给车辆。接着作者进行了本概念的验证测试,结果表明,该体系架构的性能优于基于证书的体系架构。

 

对称密钥与非对称密钥的组合加密算法

2016年Steger等人在IEEE大会提出了一个名为SecUp的框架,用于对网联车进行安全高效的OTA软件更新。其中涉及到:OEM、服务中心、汽车终端和汽车维修人员。SecUp同时使用对称和非对称密钥加密来保护OTA更新过程。

汽车维修人员使用NFC智能卡与PIN码对手设备进行对称的身份验证,然后服务后端返回会话密钥,利用该会话密钥配合汽车RSA公钥将安装包加密下发到每个汽车。接收成功后,汽车在安装前对软件用私钥进行验证解密。SecUp的性能是通过对沃尔沃ECU更新实验测试的。

结果显示,不同类型软件的更新持续时间介于6.77秒~ 33.19秒之间。

 

硬件安全模块

2016年PETri等人在国际汽车安全大会上提出了一种基于HSM的可信平台模块(Trusted Platform Module, TPM)的安全OTA更新机制。首先,网关ECU从远程服务器下载更新后的软件。然后ECU使用TPM中预定义的散列验证下载的软件。验证成功后,ECU将更新后的软件发送到目标ECU进行安装。使用TPM的好处是它支持许多流行的加密算法,例如RSA、SHA、AES。主要局限性是,每个ECU都需要一个HSM/TPM算法加密机,从而导致了额外成本。

根据ABI市场研究数据报告,2022 年将有 2.03 亿辆部汽车能通过 OTA 方式更新软件,其中至少 2200 万辆汽车还能通过 OTA 更新固件,未来我们会接受到来自车辆OTA更新带来的安全问题的挑战。

OTA有什么弊端

汽车OTA可以类比手机升级系统,不过两者还是有很大的区别,尤其是安全方面。手机在进行OTA升级时,如果升级不成功,最坏的的情况就是手机变“砖头”,而汽车则不一样,如果控制转向、制动等一些与行驶相关的部件在升级程序时出现错误,就有可能造成极为严重的后果

 

作为软件,就有被攻击的可能性,而汽车在利用OTA技术升级的过程中,同样存在这样的风险。汽车在下载升级包的过程中,攻击者可以利用网络手段将被修改过的升级包发送给车辆,进而修改系统、甚至远程控制车辆。

除了被攻击以外,车辆在下载升级包的时候,如果出现网络不稳定等情况,也会导致升级包出现漏洞,进而使得车辆升级失败。所以汽车OTA就需要厂家制定出完善的升级策略,比如终端在升级过程中建立严密的验证机制,保证升级包不被篡改,同时对升级条件加以限定,保证车辆能在合适的状态下进行升级。

现在针对汽车控制器出台了网络安全法规,R155,R156就是国家在出台政策规范市场,提高信息安全。

OTA给予了主机厂控制汽车更多的权限,也会默默采集上传了车主很多的隐私,比如车辆位置、形势轨迹、图像信息和音频信息,这在蔚来的隐私政策中都有详尽的表述,无论车企是基于怎样的目的,智能化只能是在隐私保全前提下开展。

打个不恰当的比方,你买了一栋智能住宅,却发现基于安全或莫名理由家里有众多摄像机和隐藏麦克风无时无刻地收集你的信息,是不是觉得很不自在甚至毛骨悚然?更进一步,如果汽车企业在服务器安全层面被黑客攻破,不仅海量的用户数据被泄露,

而且未来像《速度与激情》那样被黑客入侵,海量的汽车被远程OTA控制后,可以轻易打开车门、启动汽车,甚至启用自动驾驶模块来执行某些任务或指令,成为大规模危险武器未必没有可能,这时的安全又有谁来保障?

其次,主机厂OTA往往会沦为一种可耻的借口,为了抢先上市,而提前将功能未完善的“半成品”推向市场,让消费者来充当“小白鼠”或者“风险承担者”,而车企则后期借OTA升级来弥补原本测试阶段缺失,反而忽悠消费者“这是一辆不断生长的汽车”。

再次,一旦量产车辆出现大规模质量问题或生产缺陷,OTA也容易成为“大规模召回”的替代词或遮羞布,厂商通过OTA对行车电脑底层调试和运行逻辑的任意修改,也让OTA变得更加危险。

许多品牌为了抢夺“新能源补贴窗口期”从而赶工明显,在造车环节上借助OTA偷了不少“懒”,产品功能不成体系,甚至是预埋硬件,后期希望通过宣传OTA来掩盖当前产品尚未完善的现实。老老实实做好设计、测试和研发环节,旗下产品各方面都打磨成熟了再量产推向市场,

一旦出了问题该召回就认认真真通过召回制度来解决,这才是负责任的汽车企业该有的态度,而不能急功近利地玩噱头。相比特斯拉以及国内新势力品牌大肆宣传自家的OTA功能,反观日企的丰田、本田,一向以只搭载合格、成熟的功能为市场所接受,事故率相比之下很低。

当然,不同的企业策略,也不能说哪家就一定好。

 

OTA技术对于车企以及消费者而言,都是有利有弊。像一些娱乐功能OTA无妨,毕竟只是娱乐功能,出不了什么大事,还可以让消费者享受到到更好的娱乐体验

但是,自动驾驶辅助相关的功能,还是持保守意见谨慎使用OTA,因为它是事关驾驶安全,容不得半点马虎。车企推出相应的OTA策略时必须小心谨慎,这是对消费者负责,也是避免OTA导致事故后影响自家声誉的必要条件。

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