背景


随着现代信息技术不断应用到汽车上,形成了集成车辆电子系统、传感器、无线通信、云计算和人工智能等技术于一体的智能网联汽车。车辆具备了智能化、互联化和自动化的能力,实现了车辆之间的信息交互和自主驾驶等功能。党的十八大以来,工信部、交通运输部等部门相继出台了一系列政策,旨在引导和促进智能网联汽车的发展。智能网联汽车已成为汽车行业的重要发展方向。伴随“智能化+网联化”融合驱动,智能网联汽车有望成为未来的新一代智能超级终端,其具备采集路况信息,逐步掌握海量数据,成为信息世界和物理世界连接的桥梁。车联网已经成为国家工业产业转型升级的战略性计划之一,以推动数字经济为产业融合发展赋能。


车联网组成特点


智能网联汽车,(Intelligent Connected Vehicle,ICV),是指车联网与智能车的有机联合,最终可替代人来操作的新一代汽车。智能网联汽车的产业生态较为复杂,是一个多方共建的生态体系,参与者包括整车厂、互联网公司、ICT企业、Tier1供应商和政府。


智能网联汽车整体包括“云、网、端、边”的架构,云指云服务平台,网指连接云服务平台与车载终端的通信链路,端指车载终端,边指道路侧的基础设施。整体如下图所示:


图1 智能网联汽车结构示意图


2.1云端


车联网云端主要包括TSP平台、OTA云服务平台两个重要业务,主要负责车辆敏感数据交互以及车控、FOTA等业务,是主机厂车联网业务的生命线。


2.1.1 TSP平台


TSP是“车载终端服务平台”(Telematics Service Provider)的缩写,是车联网系统中的重要组成部分之一,在产业链居于核心地位,上接汽车、车载设备制造商、网络运营商,下接内容提供商。TSP是一种提供车辆远程监控、控制、导航、娱乐等服务的平台,通过与车载终端设备(T-Box)和车载传感器进行通信,获取车辆的实时数据和状态信息。


TSP平台通常由车联网提供商或运营商提供,为车主、车厂和其他利益相关者提供多种服务,例如车辆远程诊断、故障排查、定位和远程控制、车辆保险、保养和维护服务、远程娱乐和媒体等。TSP平台的核心功能包括:


  • 车辆远程监控和诊断


通过车载终端设备和传感器获取车辆实时数据和状态信息,例如车速、油量、电量、发动机温度、轮胎压力等,进行监控和诊断。


  • 车辆远程控制和调整


通过TSP平台向车载终端设备发送指令,实现远程控制车辆,例如开启、关闭车门、启动发动机、调节座椅和温度等。


  • 车辆导航和路线规划


为车主提供实时交通信息、路况分析和导航服务,帮助车主规划最佳路线和节约时间和油耗。


  • 车辆娱乐和媒体


为车主提供多种娱乐和媒体服务,例如音乐、视频、游戏等,提升车内乘坐舒适度和体验。


在车载设备与TSP平台数据交互协议选择上,MQTT以其轻量化、易扩展、多种消息质量保证(QoS),以及通过发布订阅模式实现数据产生与数据消费系统解偶等优势成为了目前各大主机厂的新一代TSP平台的首选协议。、


2.1.2 OTA云服务平台


OTA云平台,主要包括了OTA云端的升级模型管理,升级包管理,升级任务,升级策略以及日志管理的功能。OTA设计主要从安全、时间、版本管理、异常处理等方面综合考虑,具体为:


  • OTA升级安全


车辆上ECU的软件运行状况直接会影响到车辆上的人员的生命安全。从升级包制作,发布,下载,分发,刷写等环节,OTA需要从云,网络,车端来保证安全。在云端通过证书,签名和加密机制保证升级包的不会随意被制作和发布,升级包内容不会被恶意获取。通过可靠的物理链路和安全传输协议来保证网络传输安全。通过汽车的功能域隔离,划分不同ASIL等级,通过冗余设计保证整车的功能可靠性,通过安全启动来保证可信的软件在ECU上加载启动运行。


  • OTA版本管控


因为车辆上ECU众多,不同ECU有不同版本的软件,不同车型ECU的需求有不同,版本也存在差异。版本的升级路径管理,需要能够全面准确进行管控。


  • OTA刷写控制


整车升级进行车载ECU刷写时,特别涉及动力域传统ECU的刷写,是通过CAN网络进行安装包的分发。由于CAN传输速率很低(实际典型的速率为500Kb/s),并且CAN总线负载率通常要控制在30%以内,因此在带宽允许的情况下,尽可能采取并行刷写模式,选取刷写时间最长的节点优先处理等设计原则减少OTA升级时长。


  • 防变砖等异常处理


在OTA传输过程中,外界干扰或者其他因素导致刷写异常或者中断,车载ECU必须支持软件回滚、断点续传、丢失重传等处理机制。


2.2网络侧


主要包括车载网络、车载移动互联网和车载自组织网络。其中,车载自组织网络是基于CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太网等总线技术建立的标准化整车网络,实现车内各电器、电子单元间的状态信息和控制信号在车内网上的传输,使车辆具有状态感知、故障诊断和智能控制等功能;车载移动互联网络是基于远距离通信技术构建的车辆与互联网之间连接的网络,实现车辆信息与各种服务信息在车载移动互联网上的传输,使智能网联汽车用户能够开展商务办公、信息娱乐服务等,主要包括4G/5G、WIFI和蓝牙等通信方式。


2.3车端侧


以内置4G/5G通信模块的T-BOX/智能网关为主,是智能网联汽车的核心,对外通过远程通信技术与云服务平台进行通信,对内通过CAN/LIN/车载以太网与车内其他ECU进行通信。涉及主要硬件设备为车载信息娱乐系统(IVI)、整车控制器VCU/电子控制单元(ECU)、车载网联通讯终端T-Box、车载网关、高级辅助驾驶系统(ADAS)、电池管理系统(BMS)、车载诊断系统(OBD)和车载单元(OUB)等主要部件。


2.3.1车载信息娱乐系统(IVI)


车载信息娱乐系统(In-Vehicle Infotainment简称IVI),是采用车载专用中央处理器,基于车身总线系统和互联网服务,形成的车载综合信息处理系统。IVI能够实现包括三维导航、实时路况、IPTV、辅助驾驶、故障检测、车辆信息、车身控制、移动办公、无线通讯、基于在线的娱乐功能及TSP服务等一系列应用,极大的提升了车辆电子化、网络化和智能化水平。对外可与基站、钥匙等外部终端或服务平台进行通信,对内可与网关、ECU等车内电子系统进行通信,完成信息采集、数据交换、指令下发等功能,通常为远程车载信息交互系统(T-Box)、车载综合信息外理系统(VI)以及其混合体。


2.3.2远程车载信息交互系统(T-Box)


车载T-BOX,指安装在汽车上用于采集车身信息并进行控制跟踪的控制单元。T-BOX具备硬件、操作系统和软件等,可能的软件有定位、导航、娱乐等。车载T-BOX与主机通过CAN总线通信,实现对车辆状态信息、控制指令、远程诊断和按键状态信息等的传递。T-Box以数据链路的方式通过后台TSP系统与PC端网页或移动端App实现双向通信。当用户通过PC端或移动端发送控制指令后,后台会发出指令到车载T-BOX,车辆在获取到控制命令后,通过CAN总线发送控制报文并实现对车辆的控制。


  • 联网


联网是T-BOX最重要的功能之一,可以支持移动、联通、电信三大运营商的网络,但是我们在汽车上所有的上网体验都来自于车机,其实车机并没有联网功能,他的作用就像似没有SIM卡的手机,T-BOX相当于SIM卡。T-BOX与车机之间采用车用以太网通信,组成局域网,分享T-BOX的4G和WIFI热点上网通道。


  • 车辆信息实时上传


T-BOX不仅可以上网而且还是车辆信息化的核心控制器,通过CAN以及以太网与整车进行通信,实时获取车辆信息包括实时油耗,发动机水温,发动机转速,车辆行驶里程,当前车速,电瓶电压,进气压力,冷却液温度,氧传感器电压发动机负载,节气门开度,空气流量,GPS车辆位置信息等等。实现了对车辆行驶数据的实时监控。


  • 远程控制


当车辆静止的时候,可以对车辆进行远程控制等功能。可以通过手机APP,和TSP后台网页通信,输入我们车辆唯一的身份证号VIN,就可以获取到车辆现在的实时状态。比如:车窗是否关好、车门是否上锁、剩余油量电量、总里程、驾驶室温度等等车辆信息,我们可以根据这些信息进行相应的远程控制,比如:远程开车门,远程开车窗、远程打开后备箱、远程打开空调等等操作,极大的方便了驾驶员的使用体验。


  • 故障诊断


故障诊断系统是指汽车在启动时,T-BOX获知汽车的故障信息,并把故障码上传至数据处理中心。系统在不打扰车主的情况下复检故障信息。在确定故障后,并实施远程自动消除故障,无法消除的故障以短信方式发送给车主,使车主提前知道汽车存在的故障信息,防范于未然。其基本原理的是T-BOX通过CAN收发器直接连接网关与整车网络进行通信,能够获取娱乐CAN、诊断CAN的数据,并可以对BCM、VCU等进行控制,或下发诊断命令。


  • 车辆异常告警上传


当车辆上的一些部件出现一些异常或者是严重故障的时候,比如:发动机温度过高、车门入侵、水温过高、油量较少等等,T-BOX会第一时间获取到出现故障或者异常的信息,并把这些信息传输给用户,提醒用户要及时处理这些问题。极大的提高了用户的驾驶安全。


2.3.3电池管理系统(BMS)


电池管理系统(BMS)是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。BMS实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息,与外部设备如整车控制器交换信息,解决锂电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题。主要作用是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。BMS主要功能如下


  • 实时通讯


在电池的工作过程中,对电池的电压、温度、工作电流、电池电量等一系列电池相关参数进行实时监控或计算。


  • 保护功能


根据读取电池工作状态、参数判断目前电池的状态,以进行相应的保护操作,防止电池过充或过放。


  • 检测功能


通过BMS内部的测量传感器,将单个电芯的电压值、温度值进行采集。


2.4道路侧


主要为路侧基础设施,通常布置于路侧杆件上,包括路侧单元(RSU)、路侧计算单元(RCU)、路侧感知设备(如摄像头、毫米波雷达、激光雷达)和交通信号设施如红绿灯等,以实现车路互联互通、环境感知、局部辅助定位、交通信号实时获取等功能。


车联网云-管-端数据流向如下图所示。


图2 车联网云-管-端数据流示意图


云服务平台一般有两个APN(AccessPointName,网络接入点),一个负责接入公网域,一个负责接入私网域。公网域一般负责文件存储、云计算等对存储资源要求高、计算能力要求大的应用。私网域主要负责车辆敏感数据交互以及车控、FOTA等业务,是主机厂车联网业务的生命线,同时需具备比公网域更高的信息安全要求。因此设置设备接入网关,对接入车载终端进行身份验证和路由服务。


连接云服务平台与车载终端的通信链路,公网域与车载终端一般采用HTTPS协议,私网域与车载终端一般采用TCP/IP协议。而对接入车辆/设备多的场景可在网络的应用层采用MQTT协议。


  • 车联网面临的安全风险分析


3.1车联网中网络攻击的重点对象


结合车联网的组成特点及各部分的作用,遭受网络攻击的方式和重点系统如图3所示:


  • 网络攻击


通过攻击云端(TSP平台和OTA平台),在升级包中植入恶意程序,通过强制升级服务和网联汽车远程控制批量获取汽车整车控制权限;


  • 近源攻击


通过近源攻击控制路侧单元(RSU),通过与车载单元(OBU)建立通信后,对智能网联汽车进行恶意代码植入进而获取汽车整车控制权限;通过车载WIFI和蓝牙,利用漏洞获取车载信息娱乐系统(IVI)控制权限,进而利用车载T-BOX漏洞,持续不断获取整车控制权限。


  • 供应链攻击


通过信息收集,以核心零部件供应商为入口,对目标车辆的关键零部件软件系统植入恶意代码,通过OTA批量升级,进而控制车辆。


  • 社会工程学攻击


通过钓鱼邮件突破网络边界,横向移动突破内网,获取域控权限,攻击云端OTA平台,植入具备控制功能的逻辑炸弹,批量控制车辆。


图3 车联网安全风险示意图


3.2智能网联汽车面临的数据安全风险


车联网至少有三类数据与国家安全潜在相关:


  • 经纬度数据


智能网联汽车会采集车辆行驶过程中的经纬度数据,当这些数据汇集到一定量级时就具备了地图测绘能力,一旦外泄,会对国家安全造成潜在威胁。


  • 影像数据


智能网联汽车普遍配备360度摄像头采集的数据,将使涉密地区、涉密单位的安全保密工作变得更具挑战性。


  • 车辆的远程控制数据


车辆远程控制数据一旦被不法分子利用,被远程控制的智能网联汽车有可能变成实施犯罪的工具。


3.3网络安全风险带来的系统破坏和影响


3.3.1攻击TSP平台


当汽车的TSP平台被攻陷后,汽车的升级包信息、车主的个人身份信息、位置信息,都将暴露给攻击者。升级包信息包含了升级包的版本、下载地址,下载升级包后还可以获得升级包文件,即汽车整车运行的所有程序。个人信息包含但不限于手机号、姓名、驾驶证、身份证信息,位置信息包含了连续的位置变化信息,可在一段时间内刻画出汽车(车主及其家人)的轨迹。


3.3.2攻击电池管理系统BMS系统


当汽车BMS系统遭受攻击后,致使其无法正常监控当前的电池电量和温度功能,欺骗仪表、云端TSP和手机端电量正常显示,同时控制和改变正常动力电池加热,致使电池动力不足和自燃。干扰BMS系统的降温功能,造成车辆持续加热,产生交通事故后电池自燃。动力电池工作温度范围如下图所示,当高压电池冷却液温度低于标定控制温度值时,会控制加热模式启动。



图4 动力电池工作温度范围示意图


BMS能够为动力电池营造良好的运行环境。比如在寒冷的地区,电池充电效率降低,这个时候BMS会调用加热系统来让电芯升温使其达到舒适的充电环境。当电池过热时,BMS根据采集上来的电池温度,判断出电池过热,随后控制此电池的电路断开,进行过热保护。动力电池温度控制回路如下图所示。


图5 动力电池温度控制回路图


3.3.3攻击高级辅助驾驶系统(ADAS)


攻击ADAS,干扰辅助决策系统,篡改T-BOX位置信息和车速信息,让其发起制动操作,导致车辆紧急刹车,或者加速冲撞造成追尾交通事故。针对高速车辆,通过ADAS辅助驾驶系统紧急制动,导致车辆追尾,造成交通事故。