面向车辆域控制器的渗透测试方法研究

为了更便捷发现安全漏洞，提高安全防御水平。基于渗透测试的基本原理，介绍了一种针对域控制器的渗透测试方法，将该方法以渗透工具的形式进行展现，并进行实际测试验证。以简单的操作实现针对域控制的MPU 和MCU两大部分进行漏洞检查、密码破解、诊断攻击等测试，从而降低渗透测试门槛，提高工作效率。

伴随着车辆智能化、网联化程度的提高，车辆已不仅仅利用CAN总线进行信息交互，而是作为智能的移动终端，实现和车、路、云、人的通信交互。在带来优质体验的同时，也带来信息安全的隐患。信息安全问题不仅能造成财产损失，还可能对用户的生命构成威胁[1]，因此信息安全重要性得到国家和车企的高度重视。国家出台了相关的车辆信息安全法规，各大主机厂及供应商也正在进一步加强信息安全的防御、检测。其中渗透测试就是专门针对网络安全的测试，可帮助发现网络安全漏洞，进而协助提高网络安全水平。

作为车辆云—管—端中端的一环，域控制器得到越来越广泛应用，主要由微控制器(micro controller unit，MCU)和微处理器(micro processor unit，MPU)组成。域控制器不仅涉及CAN通信，还涉及网络通信等计算机方面内容，由于其同时涉及CAN和以太网，而且还是域中重要一环，便成为网络安全的重点保护对象。

由于渗透测试来源于计算机的信息安全，渗透测试也主要涉及计算机方面知识，入手较为困难，且委托第三方的渗透价格也较为昂贵。为此，本文利用渗透测试理论，开发出简捷的渗透测试工具，便于开发人员快速地找出域控制存在的安全漏洞。

车辆域控制一般按照功能划分为5个域：动力域(power train)、底盘域(chassis)、车身域(body)、座舱域(cockpit)和自动驾驶域(ADAS)，每个域都有一个相应的域控制器来实现相应的功能[2]。

域控制器目前主要由MCU和微处理MPU两大部分组成，以目前的ADAS域控制器为例，如图1所示，MCU作为“Safety host”，主要以CAN通信的形式和车内CAN网络建立联系，MPU作为“Performance host”完成视觉算法的处理，主要以车载以太网的形式和外界建立联系，MPU端的操作系统一般采用Linux 或QNX。

图1 ADAS域控制器

针对MCU的攻击，这里主要以CAN总线的攻击为主，下面将介绍几种较为常见的攻击方法以及相应的防御措施[3]。

2.1 洪水攻击

洪水攻击：攻击者向CAN总线上发送高频率、高优先级的总线信号，从而使ECU无法正常响应其他低优先级的数据包，造成车辆的瘫痪，故障灯点亮。若在启动前进行洪水攻击，则可导致车辆无法正常启动。

针对洪水攻击，防御措施主要有增设网关、在OBD处增设防火墙等。

2.2 诊断攻击

诊断攻击：攻击者通过发送一些诊断命令来实现对控制器的篡改。例如，通过发送11 02实现重置功能，通过2E服务实现参数篡改等[4]。

针对诊断攻击，防御措施有增加诊断的前提条件。例如，增加车速和发动机的前置判断条件、增加27服务的解锁条件等。

27服务示例：

请求seed

发送请求：27 01

肯定响应：67 01 xx(xx为seed值)

发送key

发送请求：27 02 xx(xx为key值)

肯定响应：67 02

2.3 篡改攻击

篡改攻击：攻击者通过更改正常通信的CAN报文的有效载荷实现攻击，若ECU针对篡改的内容做出正确的响应，则可实现控制、干扰的目的，如修改车速显示信息、控制转向和制动等。

针对篡改攻击，防御措施除增加“checksum”之外，还可以升级为安全报文[5]。以MAC校验及增加新鲜度值(FV)等手段进行完整性和机密性方面的防御，如图2所示。

图2 安全报文结构

针对MPU的攻击，攻击的步骤比MCU测试更复杂一些，攻击也主要是通过网口或者车载以太网接口进行。针对MPU端的渗透测试主要包含下面几个步骤[6]。

3.1 信息收集

收集目标的相关信息，例如：IP地址、端口信息、操作系统版本信息等，可通过Wireshark或者Netdiscover等工具来获得MPU的IP地址;也可通过Netdiscover-p来实现监听，发现在线的设备信息,如图3所示。

图3 IP信息

获取IP地址之后，可以通过Nmap工具来获得开放的端口信息。例如，通过发送Nmap-Pn1-65535 192.167.68.130命令可以获得针对IP 192.167.68.131中1-65535的开放端口的信息。如图4所示，获取这些端口之后，就可以利用开放端口存在的漏洞，进入到MPU内部，进而实施一些违规操作。

图4 端口扫描

通过Nmap 或者Nessus工具可获得操作系统的版本信息。例如，Linux或QNX的版本信息，通过已知版本信息，在接下来的漏洞扫描中，查找该版本是否有已知的漏洞，利用该漏洞就可进行渗透攻击。

3.2 漏洞扫描

漏洞扫描的目的是找出MPU弱点，攻击者可利用该弱点进行渗透攻击,如权限设置错误、采用默认的弱密码、http 端口开启等可通过Nessus工具进行漏洞扫描。通过漏洞扫描可发现目前的漏洞数量、漏洞描述及漏洞的严重程度。可通过修复漏洞来提高网络安全的防御能力，如降低用户权限、关闭端口、密码改为证书认证等[4]。

3.3 渗透攻击

渗透测试主要指利用漏洞加载攻击载荷，实现对MPU的攻击。渗透攻击可以通过Metasploit工具进行。密码暴力破解也属于攻击的一种，若密码设得很简单或者未采用证书认证方式登录，则很容易进行暴力破解，进而进入MPU内部，实施更改或破坏。

4.1 渗透测试工具展示

由于渗透测试需要较多的不同工具，而且大部分需在终端中输入相应的指令来进行完成，过程比较烦琐，且可视化不强。基于目前渗透测试遇到的痛点以及MCU和MPU的渗透测试逻辑，将主要的渗透内容进行汇总，编译开发出可视化较强的渗透测试软件。测试者只需要输入一些简单信息，点击相应按钮即可完成对应的测试工作，如图5所示。

图5 渗透测试工具展示

4.1.1 MPU端测试

MPU端测试主要包含信息收集、漏洞扫描和密码破解3个方面：

信息收集：可进行IP地址、端口、操作系统、可用命令的收集。其中端口信息通过调用底层Nmap工具来实现，并将最终的收集展示。

漏洞扫描：基于IP信息进行漏洞扫描，找出漏洞及漏洞的严重程度。

密码破解：基于需要破解的用户名及密码字典进行破解。例如，若 root账户使用了默认或者简单密码，则很容易进行破解。

4.1.2 MCU端测试

MCU端测试主要进行洪水攻击、诊断攻击及信号篡改攻击。

洪水攻击：可通过设置发送频率来实现攻击的程度。

诊断攻击：通过设计CAN ID，指定攻击对象，通过设定诊断服务命令来指定攻击种类。诊断服务命令包含了UDS的26种服务，如 11 reset命令、 2E DID写入命令等。

篡改攻击：通过更改报文内容来实现，若MCU做出正确响应，则说明篡改攻击成功。

4.2 软件实际应用效果

针对MPU端测试，通过对模拟MPU端进行渗透测试，故意设计多个漏洞。例如，将root密码设置为默认的密码可以发现，通过该工具，可以准确获得IP地址和相应的漏洞信息，而且还可以破解root密码。

针对CAN通信测试，对其进行了诊断攻击和篡改攻击，诊断攻击通过发送2E DID写入服务，MCU给出了消极响应——条件不正确。说明针对2E服务，MCU设置了接收前置条件，测试通过。

篡改攻击，通过更改安全报文有效载荷进行测试，发现MCU端报了MAC校验错误故障。说明更改后的安全报文未通过MAC值校验，MCU端设置了MAC校验机制，测试通过。

软件实际应用结果如图6所示。

图6 软件实际应用结果

针对域控制器的渗透测试，将MCU和MPU的测试内容结合在一起，利用渗透测试的基本原理，开发出简捷的测试方法，将该方法以软件的形式进行展现，在实际的测试中，该方法也得到有效验证，协助降低了渗透测试门槛，便于渗透测试工作在测试中的推广。

参考文献：

[1] 宋昊辰,杨林,徐华伟,等.智能网联汽车信息安全综述[J].信息安全与通信保密,2020,18(7):106-114.SONG H C,YANG L,XU H W,et al.Overview of the intelligent connected vehicles cyber security[J].Information security and communications privacy,2020,18(7):106-114.

[2] 深度详解域控制器[EB/OL].(2020-08-04)[2022-03-06].https://auto.vogel.com.cn/c/2020-08-04/1051269.shtml.

[3] 宋泽峰.面向CAN总线的车内网络渗透测试研究与实现[D].成都:电子科技大学,2018.

[4] International organization for Standardization.ISO 14229-1 Road vehicles—Unified diagnostic services(UDS)Specification and requirements[S].2013.

[5] AUTOSAR.Specification of Secure Onboard Communication [EB/OL] .[2022-03-06].https://www.autosar.org/.

[6] 魏德曼.渗透测试:完全初学者指南[M].范昊，译.北京:人民邮电出版社,2019.