汽車車載通信安全架構(gòu)解決方案解讀

目前，智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化是汽車發(fā)展的大趨勢，各大汽車企業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)公司積極開展合作，共同開啟云端新時代。與此同時，針對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的攻擊事件卻頻繁發(fā)生，使得汽車網(wǎng)絡(luò)信息安全問題日益凸顯。針對汽車網(wǎng)絡(luò)信息安全問題，梅賽德斯-奔馳汽車公司于 2017 年便與 360 集團(tuán)建立了合作關(guān)系，360 集團(tuán)智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全實驗室 Sky-Go 團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了梅賽德斯-奔馳智能網(wǎng)聯(lián)汽車存在的 19 個安全漏洞并加以修復(fù)。

在 2018 年比亞迪全球開發(fā)者大會上，比亞迪與 360 集團(tuán)正式簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同探討解決智能汽車的信息安全與網(wǎng)絡(luò)安全問題。Ju 等研究了以太網(wǎng)在汽車車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用以及對未來汽車電子電氣（E/E）體系結(jié)構(gòu)的預(yù)期。Wampler 等針對 CAN 總線提出了相應(yīng)的通用安全解決方案。Lee 等通過對汽車進(jìn)行攻擊實驗，驗證了汽車的網(wǎng)絡(luò)脆弱性以及建立安全解決方案的緊迫性。Chen 等參照傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的分類安全防護(hù)評估標(biāo)準(zhǔn)，建立了車輛信息系統(tǒng)分類安全防護(hù)評估系統(tǒng)。Haas 等研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)網(wǎng)汽車入侵檢測模型，實現(xiàn)對攻擊數(shù)據(jù)的過濾。上述研究均是針對汽車網(wǎng)絡(luò)信息安全展開的，但是針對智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)方案尚未提出。本文從汽車車載網(wǎng)絡(luò)信息安全的角度出發(fā)，提出一種汽車車載網(wǎng)絡(luò)通信安全架構(gòu)方案，該方案通過構(gòu)建多域分層入侵檢測模型，實現(xiàn)預(yù)防—檢測—預(yù)警的完整安全防護(hù)體系。

域集中式電子電氣架構(gòu)

如今，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的功能越來越豐富，相應(yīng)搭載的電子控制單元（electronic control unit，ECU）的數(shù)量也隨之增多，繼而與云端、第三方 APP 等信息交互的遠(yuǎn)程通信也在增多，這也使得利用云端、第三方軟件實施攻擊的可能性增大。如果采用傳統(tǒng)汽車分布式電子電氣架構(gòu)，數(shù)量過多的 ECU 不僅會產(chǎn)生復(fù)雜的線束設(shè)計和邏輯控制問題，同樣也給汽車網(wǎng)絡(luò)信息安全增添隱患。這些問題的出現(xiàn)，都說明了現(xiàn)代汽車分布式電子電氣架構(gòu)需要進(jìn)行改革。美國汽車工程師學(xué)會推出了 J3061TM《信息物理融合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全指南》，旨在通過統(tǒng)一全球標(biāo)準(zhǔn)，推動汽車電氣系統(tǒng)與其他互聯(lián)系統(tǒng)之間安全流程的建立。本文參照《車輛傳統(tǒng)系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn) ISO26262》定義的流程，制定車輛信息安全架構(gòu)圖如圖 1 所示。

圖 1 車輛信息安全架構(gòu)圖車輛信息安全架構(gòu)主要由信息安全管理、核心信息安全工程活動以及支持過程3大部分構(gòu)成。信息安全管理包括綜合管理和生命周期各階段的信息安全管理。核心信息安全工程活動包括了概念階段，整車系統(tǒng)、軟硬件層面的開發(fā)階段及生產(chǎn)運營階段等。在概念階段制定整個安全項目計劃，包括識別網(wǎng)絡(luò)安全邊界、系統(tǒng)外部依賴關(guān)系、系統(tǒng)潛在威脅分析以及評估。

在開發(fā)階段，對整車系統(tǒng)的脆弱性和威脅性進(jìn)行風(fēng)險分析，制定信息安全需求與策略，在開發(fā)階段完成后進(jìn)行滲透測試，完成最終的安全審計。生產(chǎn)運營階段主要對產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控、事件響應(yīng)以及之后的時間跟蹤管理。支持過程階段主要對以上階段進(jìn)行輔助支持，包括相應(yīng)的配置管理、文檔管理和供應(yīng)鏈管理等。車輛信息安全開發(fā)框架如圖 2 所示。系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計階段是車輛信息安全實現(xiàn)的基礎(chǔ)，而車輛信息安全系統(tǒng)設(shè)計又依附于汽車電子電氣架構(gòu)（electronics/ electrical，E/E）系統(tǒng)設(shè)計。因此，應(yīng)對汽車網(wǎng)絡(luò)信息安全漏洞進(jìn)行排查，包括與外部環(huán)境（如云服務(wù)器、其他車輛和基礎(chǔ)設(shè)施）的連接、與車載網(wǎng)絡(luò)的連接、與 ECU 級別的連接和單個組件的連接等，構(gòu)建安全級別更高的 E/E 系統(tǒng)，從系統(tǒng)層面提高安全性。在測試階段，對車輛信息安全功能檢查測試，進(jìn)行安全評估，驗證車輛信息安全架構(gòu)的安全性。在整體車輛信息安全開發(fā)過程中，應(yīng)當(dāng)將硬件設(shè)計和軟件設(shè)計協(xié)調(diào)開發(fā)，同時考慮到軟硬件的安全可靠性，共同實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全。

圖 2 車輛信息安全開發(fā)框架圖以特斯拉汽車為例，分析汽車 E/E 架構(gòu)方案。特斯拉汽車作為汽車 E/E 架構(gòu)變革的帶頭人，Model 3 的電子電氣架構(gòu)分為 3 大部分：中央計算模塊（CCM）、左車身控制模塊（BCM_LH） 和右車身控制模塊（BCM_RH）。CCM 直接整合了駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS） 和信息娛樂系統(tǒng)（IVI）2 大功能域，同時包括對外通信和車內(nèi)系統(tǒng)域通信的功能；BCM_LH 和 BCM_RH 分別負(fù)責(zé)車身與便利系統(tǒng)、底盤與安全系統(tǒng)和部分動力系統(tǒng)的功能。

3大模塊均采用高性能處理器，能夠滿足功能域內(nèi)的大量計算需求，域內(nèi)其余 ECU 僅控制汽車外圍設(shè)備，域內(nèi)各系統(tǒng)通過局域網(wǎng)進(jìn)行通信， 而模塊之間通過總線進(jìn)行通信，實現(xiàn)了基本的安全隔離。汽車域集中式電子電氣架構(gòu)的出現(xiàn)，為信息安全以及算力不足的問題提供了解決方案。汽車域集中式電子電氣架構(gòu)指的是將汽車根據(jù)功能劃分為若干個功能塊，每個功能塊以域控制器為主導(dǎo)搭建，各個功能域內(nèi)部通信可根據(jù)不同功能的通信速率需求采用不同種類的通信總線，如 CAN、LIN、FLEXRAY、MOST 等總線，各個功能域之間的通信通過傳輸速率更高的以太網(wǎng)實現(xiàn)信息交換，域集中式電子電氣架構(gòu)圖如圖 3 所示。域控制器主要負(fù)責(zé)傳遞域與云、域與域以及域內(nèi)部的通信。域內(nèi) ECU 僅負(fù)責(zé)相應(yīng)執(zhí)行器件的操作指令，采用帶有通信功能的控制器即可。

圖 3 域集中式電子電氣架構(gòu)圖根據(jù)我國國情，智能網(wǎng)聯(lián)汽車域集中式電子電氣架構(gòu)結(jié)合了智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化3大部分的應(yīng)用。相較于以前的汽車分布式電子電氣架構(gòu)，針對算力不足方面，域控制器作為每個域的獨立控制器，其內(nèi)部需匹配一個核心運算力強的處理器，以滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車對算力的要求，目前業(yè)內(nèi)有 NVIDIA、華為、瑞薩、NXP、TI、Mobileye、賽靈思、地平線等多個品牌方案。在安全防護(hù)方面，域集中式架構(gòu)將車輛根據(jù)功能及通信速率要求分為若干個獨立功能模塊，若攻擊者想要通過某一功能對整車進(jìn)行攻擊，該功能所在的域控制器可以及時監(jiān)測并排除隱患，不會影響其他功能域，有效減少了攻擊面擴(kuò)大的可能性。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車面臨的信息安全威脅分析

隨著車輛連通性功能的極大擴(kuò)展，導(dǎo)航定位、自動泊車、遠(yuǎn)程控制及診斷等功能已逐漸成為汽車的標(biāo)配。這些功能帶給人們極大便利的同時，也帶來了更多安全隱患。根據(jù)遭受攻擊的方式不同，智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全隱患由遠(yuǎn)及近可劃分為以下 4 個方面：

（1）云端層安全隱患

云平臺存儲著汽車關(guān)鍵信息，能夠給汽車提供路況信息、定位導(dǎo)航、報警、遠(yuǎn)程控制等，如果云平臺遭到黑客攻擊，大量重要數(shù)據(jù)外泄，后果不堪設(shè)想。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層安全隱患

智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過無線通信的方式實現(xiàn)與云平臺、移動端 APP、其他車輛、交通狀況等數(shù)據(jù)的信息交互，而無線通信方式可能存在著身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)信息加密、協(xié)議等安全問題，因此汽車也有相應(yīng)的安全隱患。

（3）車載通信層安全隱患

隨著車輛外部接口的增多，車輛內(nèi)部通信過程中電子控制單元固件的安全隱患、數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全隱患也隨之增多。

（4）外部接口安全隱患

目前市場上有很多第三方 APP，APP 種類繁雜，其安全防護(hù)也是消除隱患的重要一環(huán)。如果黑客入侵 APP，甚至可以直接遠(yuǎn)程操控汽車。除此之外，電動汽車的充電槍與充電樁之間通信接口也存在安全隱患，一旦遭到攻擊，電動汽車的能源系統(tǒng)遭到破壞，可能會帶來生命危險。

汽車車載信息安全隱患分析

（1）車載智能終端（車載 T-BOX）攻擊

車載 T-BOX 主要用于車與車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺的通信，具有車輛遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程查詢、報警等功能。正常情況下，車載 T-BOX 通過讀取車載內(nèi)部 CAN 通信數(shù)據(jù)信息，并通過無線通信方式將信息傳遞至云平臺或 APP。車載 T-BOX 的安全隱患主要有 3 個方面：一是固件逆向，攻擊者通過逆向解析車載 T-BOX 固件，獲取密鑰，解密通信協(xié)議；二是通過車載 T-BOX 的預(yù)留調(diào)試接口讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，解密通信協(xié)議；三是通過仿冒云平臺的控制指令，將指令發(fā)送到汽車內(nèi)部，實現(xiàn)對汽車的遠(yuǎn)程控制。

（2）車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI）攻擊

車載信息娛樂系統(tǒng)用于導(dǎo)航、路況播報、車輛信息、通訊、輔助駕駛、CD/收音機等的應(yīng)用。由于車載信 息娛樂系統(tǒng)的功能豐富，攻擊者既可以通過 USB、藍(lán)牙、Wi-Fi 等通信方式進(jìn)行攻擊，也可以通過軟件升級獲得訪問權(quán)限對系統(tǒng)進(jìn)行攻擊。

（3）診斷接口 OBD-Ⅱ攻擊

汽車診斷接口 OBD-Ⅱ是汽車 ECU 與外部進(jìn)行交互的接口，其主要功能是讀取車輛的數(shù)據(jù)信息和故障碼，用以車輛維修。OBD-Ⅱ接口一旦遭到攻擊，不僅可以通過該接口破解汽車內(nèi)部通信協(xié)議，而且還可 以通過植入惡意硬件發(fā)送控制指令實現(xiàn)對車輛的控制。

（4）傳感器攻擊

智能網(wǎng)聯(lián)汽車擁有大量的傳感器設(shè)備，用于車與車、車與人、車與路、車與云的通信。如果傳感器遭受惡意信息注入、竊聽等攻擊，高自動化車輛可能會無法正確判斷周圍環(huán)境行為，造成嚴(yán)重后果。

（5）車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸攻擊

汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信大多采用 CAN 總線傳輸，CAN總線具有成本低、通信速率適中、抗電磁干擾能力強等特點，因此被廣泛應(yīng)用于汽車電控系統(tǒng)。但 CAN 總線采用非破壞性總線仲裁方式，具有校驗簡單、一發(fā)多讀等特點，安全防護(hù)措施薄弱，攻擊者若通過 CAN 總線進(jìn)行報文重放、拒絕服務(wù)、篡改等方式進(jìn)行攻擊， 將導(dǎo)致駕駛員控制指令失效、汽車無法正常行駛的后果。

汽車車載通信安全解決方案

在智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息安全防護(hù)方面，根據(jù)攻擊發(fā)生的不同過程，分別建立主動防護(hù)、入侵監(jiān)測、應(yīng)急處理的系統(tǒng)安全防護(hù)措施，保障汽車的信息安全。在攻擊發(fā)生前，做好主動防護(hù)，對汽車的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查過濾，對常見的攻擊方法有效防范。攻擊發(fā)生后，持續(xù)監(jiān)測汽車通信狀態(tài)的變化，及時對攻擊點采取應(yīng)急措施并及時更新，防止危險的發(fā)生。根據(jù)目前對汽車信息安全技術(shù)適用性模型的分析，結(jié)合全新的汽車域集中式電子電氣架構(gòu)，構(gòu)建車載多域分層入侵檢測模型，針對云端層、域控制器層、ECU 層、車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸層進(jìn)行分層入侵檢測，采取對應(yīng)的主動防護(hù)措施，以達(dá)到精準(zhǔn)防護(hù)的效果。多域分層入侵檢測示意如圖 4 所示。

圖 4 多域分層入侵檢測示意圖

（1）域控制器層

新架構(gòu)方案中，域控制器既是整個域的計算集成平臺，也是域與域、域與云端之間進(jìn)行信息交流的網(wǎng)關(guān)。域控制器作為汽車內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)信息交互的安全邊界，是汽車車載網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的重點。因此，在安全邊 界建立安全防火墻，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行安全檢測、訪問限制、日志記錄等安全性檢測，以實現(xiàn)安全防護(hù)。汽車的通信報文由 ID、數(shù)據(jù)信息、校驗位等部分組成。ID 確定報文的傳輸優(yōu)先級和目的地址，數(shù)據(jù)信息確定操作指令，校驗位確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息完整。安全防火墻的主要作用是實現(xiàn)訪問控制功能，汽車安全防火墻框架圖如圖 5 所示。

圖 5 安全防火墻框架圖防火墻訪問控制功能的實現(xiàn)主要基于建立汽車通信報文的白名單數(shù)據(jù)庫，一旦檢測到報文請求，將報文 ID 與白名單數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，匹配成功則通過，失敗則丟棄。防火墻的異常檢測技術(shù)有多種，常見的檢測技術(shù)包括入侵異常檢測方法，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類、遺傳算法，基于信息熵、關(guān)聯(lián)規(guī)則等。入侵異常檢測方法主要通過對大量正常行駛的汽車的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建汽車通信網(wǎng)絡(luò)安全模型，并用該模型監(jiān)視用戶及系統(tǒng)的行為，分析是否存在異常的非法數(shù)據(jù)活動，并向用戶報警記錄。汽車報文分為周期報文和事件觸發(fā)報文，入侵異常檢測技術(shù)可以根據(jù)不同情況建立模型。

周期報文是通過設(shè)定報文周期閾值構(gòu)建入侵檢測模型，將報文周期與閾值對比進(jìn)行判定；事件觸發(fā)報文沒有固定的發(fā)送周期，但多數(shù)報文的操作指令相互關(guān)聯(lián)，如汽車的車速信號與剎車信號存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，油門踏板信號與車信號存在正相關(guān)關(guān)系。因此， 通過大量的數(shù)據(jù)分析構(gòu)建通信報文正/負(fù)相關(guān)入侵檢測模型，一旦報文關(guān)聯(lián)出現(xiàn)較大的偏差，則判定為入侵行為并報警。由于汽車車載芯片的計算能力不足以同時實現(xiàn)安全性與實時性的最大化，因此現(xiàn)采用的入侵檢測的方法需要在保證實時性的基礎(chǔ)上，對入侵進(jìn)行有效檢測，目前針對汽車車載報文流量監(jiān)測是最為有效的辦法。安全防火墻中訪問控制、通信標(biāo)準(zhǔn)檢測、異常分析的入侵檢測流程如 6 所示。

圖 6 入侵檢測流程

（2）車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)層

每個域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸安全是安全防護(hù)機制的第二道防線。根據(jù)功能域所需要的通信要求的不同，采用的車載傳輸網(wǎng)絡(luò)也有所不同。目前，除了信息娛樂系統(tǒng)以外，大都采用 CAN 總線通信。CAN 總線的廣播特性、非破壞性總線仲裁方式等導(dǎo)致安全防護(hù)薄弱，因此需要制定通信安全協(xié)議。通信安全協(xié)議的設(shè)計主要由 ECU 節(jié)點的校驗和傳輸數(shù)據(jù)信息的加密 2 部分組成。在汽車行駛前，域控制器隨機分配每個 ECU 的身份，ECU 要向域控制器發(fā)送認(rèn)證請求，進(jìn)行身份認(rèn)證，從而保證節(jié)點的合法性，完成 ECU 節(jié)點的校驗。汽車行駛過程中，車載網(wǎng)絡(luò)的通信信息需要加密，以防攻擊者竊聽、偽裝。結(jié)合汽車對實時性要求高的特點，數(shù)據(jù)加密采用 AES 對稱加密算法。ECU 身份認(rèn)證流程如圖 7 所示，CAN 通信加密報文格式如圖 8 所示。

圖 7 ECU 身份認(rèn)證流程

圖 8 CAN 通信加密報文格式對稱加密計算量小、速度快，適用于汽車大數(shù)據(jù)通信。對稱加密算法中，加密方和解密方事先都必須知道加密的密鑰，發(fā)送和接收雙方都使用該密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn) 行加密和解密。基于對汽車數(shù)據(jù)的安全性和實時性的 要求，可以根據(jù)已校驗成功的 ECU ID 以及數(shù)據(jù)發(fā)送 ECU 和接收 ECU，建立獨立的加密表作為密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并根據(jù)對汽車實時性的驗證，相應(yīng)調(diào)整加密表的加密難易度，最大化地保證數(shù)據(jù)的安全。

（3）ECU 層

ECU 層面的安全防護(hù)主要是固件防護(hù)，實現(xiàn)防止固件刷寫、外界訪問、惡意更改等功能?？紤]到成本問題，根據(jù)不同功能的 ECU 需分配不同等級的安全防護(hù)措施。硬件安全模塊是一種用于保護(hù)和管理強認(rèn)證系統(tǒng)所使用的密鑰，并同時提供相關(guān)密碼學(xué)操作的計算機硬件設(shè)備。車身域 ECU 采用輕量級硬件安全模塊，動力域 ECU、信息娛樂域 ECU、輔助駕駛域均采用中量級硬件安全模塊，而車身域控制器、動力域控制器、信息娛樂域控制器和輔助駕駛域控制器均采用重量級硬件安全模塊。

結(jié)語

本文從智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展出發(fā)，聚焦了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的信息安全隱患問題，對汽車車載網(wǎng)絡(luò)信息安全的防護(hù)進(jìn)行了分析，建立汽車域集中式電子電氣架構(gòu)，提出了從防護(hù)到入侵檢測、從數(shù)據(jù)加密到硬件加密的完整信息安全防護(hù)模型的初步可行性方案架構(gòu)，未來仍需通過實例對方案進(jìn)行更進(jìn)一步的論證。

編輯：黃飛

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