零成本入门车联网安全研究

对车联网安全感兴趣，但却没有实车拿来练手，是一件很可惜的事情。为了解决这个问题，笔者结合自己的车联网安全实践经验，为大家搭建一个高度接近真实车辆的实验环境。这个环境使用了目前流行的多域架构，实现了包括VLAN、防火墙等真实的安全功能，供大家学习和参考。

域架构

对域架构的解释：

1）本实验环境实现了两个经典的通信域VCU和HU，VCU可以理解为整车控制域，而HU则是信息娱乐域，两个域通过以太网进行通信；

2）VCU域实现了车身CAN（BDCAN）和自动驾驶CAN（ASCAN），这两路CAN通过网关相连，用来模拟车身CAN报文发送至自动驾驶模块；

3）HU域实现了仪表CAN（ICCAN）与摄像头CAN（CAMCAN），它们分别与BDCAN、ASCAN通过以太网相连，第一路连接（BDCAN -> ICCAN）模拟车身数据在仪表盘上显示，第二路连接（CAMCAN -> ASCAN）模拟摄像头采集的数据传送给自动驾驶模块；

4）第一路连接与第二路连接通过VLAN进行隔离。

车辆功能

通过ICSim[1]模拟车辆功能，ICSim是一个开源的车辆仪表模拟器，该模拟器包含controls和ICSim两个模块，其中controls负责生成模拟的车辆数据，以CAN报文的方式发送给虚拟的CAN接口，ICSim从虚拟CAN接口读取CAN报文，并在仪表上更新对应零件的状态，如车速、车门状态等等。

（ICSim仪表和操作界面）

在我们这个架构中，ICSim和controls分别连接到两路不同的CAN上，其中ICSim连接到HU域的ICCAN，代表真实的仪表盘；controls连接到VCU域的BDCAN，代表真实的车身部件。VCU域与HU域通过以太网进行连接，controls产生的CAN报文通过以太网传送给ICSim。这种实现与真实的整车域架构及其接近，因为有些车型的仪表确实被划分到了HU域，以太网作为VCU与HU的通信协议也是当下比较流行的域架构。

通过如下方式创建vcanic和vcanbd：

接下来将ICSim与HU域的vcanic绑定，controls与VCU域的vcanbd绑定：

此时，代表车身零部件的controls产生的报文还不能顺利达到ICSim，因为vcanic与vcanbd两路CAN总线目前还未联通，我们将通过以太网的方式将这两路CAN连接起来，同时也将意味着VCU与HU的联通。

CAN-ETH通信

以太网的实现使用开源项目cannelloni[2]，cannelloni的核心原理是通过UDP协议传送CAN报文，如下图所示：

（图片来自论文《Mapping CAN-to-ethernet communication channels within virtualized embedded environments》）

因为我们这个实验是在一台机器上进行的，所以我们将通过不同的端口区分VCU和HU这两个独立的通信域，结合划分广播域的需求，我们将通过vconfig创建带有vlan id的虚拟网卡。

VLAN划分广播域

考虑到通过以太网传输的报文类型包含了安全性要求比较高的ADAS（自动驾驶）报文，我们的想法是根据报文的不同安全等级来划分广播域，将普通控制报文和自动驾驶报文通过VLAN划分到不同的网络，相互之间不能访问。

首先需要在真实的网卡上创建带有vlan id的虚拟网卡：

创建结果如下：

给网卡添加ip地址并启动网卡：

启动成功之后的效果如下：

测试以下两个VLAN的连通性：

VLAN划分成功，接着我们使用cannelloni将BDCAN（vcanbd）和ICCAN（vcanic）连接起来：

连通之后通过controls的操作，便可将CAN报文发送给ICSim，仪表盘也可以显示状态了。通过同样的方式将ASCAN和CAMCAN连接起来，VCU域与HU域的通信就完全打通了。在实际的通信场景下，我们可能会依据类似最小权限原则来配置业务能力，比如在VCU与HU的通信场景中，我们可能会认为HU域只需要从VCU接收车身CAN报文的能力，而不需要发送车身CAN报文的能力；相反，HU域产生的摄像头数据，需要经以太网传送给VCU的ADAS模块，此时HU域可能需要的是发送摄像头报文的能力，而不需要接收能力。为了满足这种需求，我们在实验中增加了网络防火墙。

 防火墙

通过iptables规则分别在VCU域和HU域建立防火墙，过滤存在风险的以太网报文，以达到如下两个目的：

1. 车身零部件产生的报文只能由VCU传给HU；
2. 摄像头采集的报文只能由HU传递给VCU。

以HU为例，通过如下规则对报文的流向进行控制：

到目前为止，VCU与HU的通信已经完全打通，并且我们加上了防火墙规则，但VCU内部的通信却还没有解决，因为ADAS模块可能也需要车身零部件的数据来做自动驾驶决策，所以我们需要通过网关将BDCAN与ASCAN连接起来。

CAN网关功能

使用cangw可以实现简单的CAN网关功能，连接车身CAN（BDCAN）和ADAS CAN（ADASCAN），车身产生的CAN报文通过网关路由至ADAS模块。（其实cangw和cannelloni的功能结合起来已经很接近真实的CAN网关，真实的CAN网关还支持LIN、Flexray等）

 网关的配置方式如下：

cangw还支持配置报文过滤规则以及完整性校验，读者可以继续探索，摄像头模块与ADAS模块的功能也可继续完善。

参考

[1].GitHub – zombieCraig/ICSim: Instrument Cluster Simulator

[2].GitHub – mguentner/cannelloni: a SocketCAN over Ethernet tunnel

本文首发于本人的CSDN专栏“车联网安全杂货铺”，地址https://blog.csdn.net/andlee/article/details/121228330，转载请申明出处！