导读

汽车工业正在走向车联网时代，迅速发展之际，安全形势也日益严峻。最近，美国科研人员开发了一个免费、通用、开源的软件框架，用于保护汽车中的软件更新。在开源框架投入汽车工业使用之前，研究团队呼吁世界各地的安全专家帮助他们寻找该框架的漏洞。

简介

这款开源安全软件框架名为“Uptane”，它在目前广泛使用的“TUF”（软件更新框架）基础上发展而来。

Uptane 项目，由纽约大学坦登工程学院计算机科学和工程学院的助理教授 Justin Cappos 领导，由纽约大学坦登工程学院和密歇根大学交通研究所(UMTRI)，美国西南研究院(SwRI)合作开展。

(图片来源于：纽约大学坦登工程学院)

背景

ECU

如今，汽车内部都会具有一些列的微机控制模块，简称“电子控制单元”（ECU），又称为“行车电脑”、“车载电脑”。它是一种汽车专用微机控制器，和普通电脑一样，由微处理器、存储器、输入输出设备、模数转换器等大规模集成电路组成。这些ECU控制了汽车主要的安全设备例如安全气囊、刹车系统、发动机和传动装置等环节。

(图片来源于：维基百科)

ECU升级

然而，ECU和普通的计算机系统一样，随着根据用户需要的变化，软件缺陷和功能的相关更新，也会遭遇软件（固件）升级的情况。例如， F1等汽车拉力赛的赛车，需要根据不同的赛道情况，来改善发动机动力输出，以提高赛车成绩，这时就会需要更新ECU。更新ECU固件，就类似更新计算机主板BIOS，对发动机来说，可以达到调控发动机动力输出数值的效果。

传统的升级方式，一般都需要专业人员将ECU拆出，连接专业设备进行升级。然而，这种方法需要用户去汽车维修站或者返回原厂进行升级，操作难度大、过程复杂、风险高。

OTA升级

然而，对于新能源和车联网汽车来说，例如丰电和特斯拉的一些型号，都可以通过空中无线通信的“空中升级服务”（OTA）方式，对于ECU进行软件升级。升级可以修复车辆控制单元的安全漏洞，或者追加新的功能。这种方式通过无线网络更新，无需用户去维修站，更加方便、安全、快捷，同时也减少了厂家的召回。

安全风险

OTA 升级方式也并不是万无一失的，黑客仍然会瞄准这些汽车软件更新机制，安装恶意软件，病毒，甚至是勒索软件。一旦发生类似事件，结果往往是灾难性的。

Uptane

Uptane，正是为汽车制造商提供一种安全的软件更新框架，以抵御各种安全攻击和威胁。它的设计正是针对汽车行业的特点，考虑到其特殊的风险和限制。其中众多设计细节，是和美国大多数汽车行业厂商和专家一起合作完成的。所以，它具有更加好的灵活性，适应各个汽车厂家需求，抵御各种安全风险。

研究人员称开发Uptane的首要目标，就是创建汽车软件安全更新机制，保持最强的安全级别。不管更新的来源是哪里，该机制都可以尽可能地确保软件更新的真实性和可靠性，同时也能够灵活地支持各个特殊的用户模型和部署机制。

下面，首先介绍一下汽车安全威胁的来源，即黑客针对ECU的攻击要达成的目标和攻击采取的行动。

攻击类型

针对ECU的主要攻击类型，根据其目的，可以分为：

第一，读取更新

攻击者会窃取软件更新内容，研究ECU固件内容，盗取汽车的知识产权财富。

第二，拒绝更新

攻击者想要阻止汽车修复软件问题。有以下类型：

阻止更新攻击：阻止汽车内部或者外部的网络流量，让ECU无法接收任何更新。缓慢检索攻击：让ECU缓慢地接收应用更新，这样攻击者可以同时展开安全攻击。冻结攻击：在ECU已经有更新的情况下，不定期的发送给ECU已有的更新。软件版本部分安装攻击：让一些ECU无法完全安装最新的更新。攻击者可以通过阻止ECU的网络通信来完成这个目的。有时，这种攻击也会偶然地发生在电力供应终端的情况下。

第三，阻碍工作

攻击者会尝试让ECU工作失效，使汽车或者其组件短时间或者永久性的行为反常，有以下攻击方式：

回滚攻击：让ECU安装具有问题的过期软件。无休止数据攻击：这是攻击者最简单的攻击方式之一，通过执行无休止的数据攻击，发送大量的数据让ECU存储空间耗尽，从而发生崩溃。混合软件版本攻击：它会引起ECU在互操作方面的失败，阻止汽车正常工作。攻击者通过给不同的ECU安装不兼容的软件更新版本（不能同时安装），从而达到攻击目的。攻击者虽然无法设计出新的软件包，但是他们能够给不同的ECU同时安装不同版本软件更新。混搭的攻击：这种攻击也会引起ECU互操作性方面的失败，如果攻击者盗用了服务器密钥，他们可以使用这些密钥发布一个独特的新软件镜像。例如ECU-1和ECU-2都可以从软件分支3上安装更新。但是，攻击者已经滥用签署软件版本的密钥。这种混搭的攻击，比前面提到软件版本部分安装攻击和混合软件版本攻击更加恶劣，因为攻击者可以任意组合更新。

第四，控制

这是第四点，也是最严重的一点。攻击者能够修改汽车的性能。攻击者让ECU安装攻击者选择的软件，这样导致攻击者可以随意修改汽车的性能。他们可以通过任意的软件攻击，以恶意软件覆盖ECU现有的软件。

攻击行动

那么，攻击者又会采取那些具体行动呢？

拦截和改变网络通信（例如进行中间人攻击），这些行动的实现途径包括：（1）汽车外部：攻击者可以控制用于发布软件更新的蜂窝网络；（2）汽车内部：攻击者可以控制ECU网关、普通ECU、OBD-II 接口、 USB。危害汽车ECU。危害软件更新的密钥或者存储密钥的服务器。

防御机制

Uptane 框架所具有的主要抵御机制有以下四条：

第一，使用额外的存储空间从无休止的数据攻击中恢复。

（图片来源于：参考资料【3】）

前面提到，黑客会对于ECU执行无休止的数据攻击。然而，ECU往往只存储一个镜像文件。这样，如果这些攻击者会通过给ECU发送随机数据，而不是实际的镜像文件，让它无法启动到工作镜像中去。虽然，引导程序能够检查出随机数据和最近下载的元数据不匹配。

为了解决这个问题，ECU可以使用一个额外的存储空间，使得它可以有足够的存储空间保存之前的镜像和最新下载的镜像。ECU在更新时，无需具有覆盖之前已知的良好镜像。这样，如果攻击者在数据传输时修改了镜像，它仍然可以引导到功能镜像。

第二，广播元数据防止混合软件版本攻击。

（图片来源于：参考资料【3】）

攻击者控制了主ECU以后，就可以执行混合软件攻击，因为它们可以向不同的从ECU，同时展示不同版本的元数据。为了防止这个问题，主ECU需要向从ECU广播最新下载的元数据。

所以，在CAN网络或者以太网络中，主ECU向某个从ECU发送的任何元数据，也需要同时发向其他的ECU。

第三，使用版本清单检测软件部分安装攻击

（图片来源于：参考资料【3】）

即使有时ECU没有受到任何其他攻击，但是也偶尔会出现一种软件版本部分安装攻击的情况，导致ECU只成功安装了部分的软件更新。

无论，这些攻击是如何发生的，OEM 都可以通过软件版本清单和ECU关于它最近安装的签署信息，检测这种攻击。在验证和安装更新后，ECU会使用OEM在汽车制造期间提供的对称密钥，来验证其安装的软件，然后发送给主设备。

ECU，每个点火周期只会进行一次签署和发回它的版本清单。主设备将搜集这些签名，构建汽车版本信息，然后发送给汽车制造商。如果汽车制造商发现最近的汽车更新，和它们实际安装的不匹配，制造商将会收到警报，并且采取进一步行动。

第四，使用时间服务器限制冻结攻击

（图片来源于：参考资料【3】）

关于攻击者对于ECU采取的冻结攻击，是由于ECU桌面和服务器程序不同，E无法具有可靠的时钟。这样主设备不能判断元数据是否超时。

为了解决这个问题，每个ECU应该使用外部时钟，周期性地更新目前的时间。

集思广益

因为Uptane是开源的，所以与任何一个开源项目的标准流程一样，团队正在呼吁全是世界的安全专家和学术机构，帮助他们发现该软件框架的漏洞，以及模仿黑客对于该框架展开攻击，以进一步完善该框架，最终形成稳定的版本。

参考资料

【1】http://engineering.nyu.edu/press-releases/2017/01/18/call-issued-white-hat-hackers-find-flaws-new-automotive-software-updater

【2】https://uptane.github.io/

【3】https://isis.poly.edu/~jcappos/papers/kuppusamy_escar_16.pdf

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