『IOT』车联网安全之CAN协议浅谈

日期：2021-09-27

作者：李逢天

介绍：简单学习了一下车联网的 CAN 协议。

0x00 前言

汽车不再仅仅是机械设备。

如今的智能网联汽车包含了上百个不同的电子控制单元(ECU)。这些ECU控制着汽车操作的方方面面：从发动机、刹车和转向控制到汽车的娱乐系统。

ECU在一个被现代造车厂商广泛使用的CAN(Controller Area Network)总线协议的网络中相互连接。CAN总线协议是一个古老的协议，

它最早是由德国在1983年提出的，虽然在近几年中不断完善，但它仍然是一种极其简单的协议，不存在安全防护机制：即它是在假定所有ECU都是合法的、值得信赖的，并按照其规范运行的前提下设计的。

然而，在过去的几年里，研究人员发现许多ECU容易受到攻击。由于CAN总线本身是如此“天真”，令攻击者可以轻松的伪造CAN数据包并发送给ECU，被破坏的ECU往往可以造成重大损害。

若结合当前发展迅猛的网络安全领域的研究成果，创造一个新型的更加安全的协议，替换CAN总线可能是个好主意。

但是，由于厂商投入巨大，加之老旧汽车报废需要数十年的时间，因此替换方案可行性不大。在这种情况下，研究CAN协议，想方设法在CAN总线的限制下提高汽车的安全性是一个重要的目标。

本文接下来会介绍CAN数据包的字段组成。

0x01 CAN帧结构

如上图所示，一个典型的CAN帧数据结构，在这里我们只重点关注CAN ID，DLC和Data字段。

首先CAN ID可能是11位或29位长，尽管在图中只表明了11位，该ID用于区分不同类型的CAN数据帧。

具有给定ID特征的数据帧通常仅由一个ECU产生，接收者ECU使用该ID在CAN总线上传输的所有CAN消息中选择相关的数据包。

该ID也用于仲裁CAN消息，该字段的值越低表示优先级越高。

所有ECU都接收所有的CAN包，并且必须决定它是否为它们准备。这是在CAN ID的帮助下完成的。

在CAN ID之后，DLC表明了后面紧接着的Data数据具有几个字节，DLC字段的大小为4位，表示组成数据字段的字节数。

由于data字段的最大长度是8字节，有效的DLC值仅在0到8之间，因此9到15的值是没有用的。

最后的Data段数据字段的最大大小为64位，用于表示CAN消息的实际有效负载。

一个通用数据帧通常在同一个数据域中包含几个不同的信号，而CAN标准给汽车制造商关于信号的结构、数量和含义的完全自由。因此，如果不能访问CAN消息的正式规范，它们的数据字段只能被解释为不透明的二进制对象。

如下面是一个ID为3B1的，Data长度为8的CAN数据包。

IDH: 03,     IDL: B1,     Len: 08, Data: 80 00 00 00 00 00 00 00

0x02 Data段信号分类

接下来，我们将描述数据有效负载字段的结构，该字段由一个或多个信号组成。

例如，在同一个Data当中，某几位表示的车辆速度，某一位代表的是车门的开关状态，某几位代表的是校验码。

因此我们可以将Data中的信号，分为如下五种：

Sensors:汽车传感器的信号值。
Constants:不随时间变化的值。
Multi-Values:域中只有几个常量值的值。
Counters:在特定范围内表现为循环计数器的信号。这些信号可以作为额外的语法检查，或者用于在目标ECU上订购较长的信号数据。
Checkcodes:除了每个CAN帧尾部的CRC-15字段外，有效负载还可以包含额外的校验码，通常是有效负载中的最后一个信号。

0x03 CAN帧逆向分析算法

CAN数据包中最主要的便是区分Data中的各个位或者多个位组成的域所代表的含义。

然而，由于这个定义是原始设备制造商专有的，它并不公开，即使是同一品牌的不同车型之间也可能不同，因此必须手动对每一辆目标车型的CAN信息格式进行反向工程，这一过程既耗时又繁琐，而且无法规模化。

为了减轻这个困难，在当前的研究中，采用了各种算法，来对CAN帧中的Data进行逆向分析，从而猜测到其各个二进制位或者域所代表的含义。

下图是FBCA算法的伪代码，它把Data段分为了 Constant , Multi-Value , Sensor fields，并具有较高的准确率，具体文献可以查看文献《Field Classification, Modeling and Anomaly Detection in Unknown CAN Bus Networks》。

0x04 总结

可以预见的是，“电动化、智能化、网联化、共享化”为核心的汽车“新四化“是未来智能网联汽车的趋势，但随着车内ECU数量的不断增加，车内更多的设备模块接入到网络中，汽车的安全风险也不断攀升。CAN总线作为目前汽车广泛使用的协议，由于无法短时间内更替且安全性极低，是车联网安全的一个重要研究方向。

免责声明：本文仅供安全研究与讨论之用，严禁用于非法用途，违者后果自负。

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