자동차 내부 네트워크

목차

• 자동차 전장 시스템 이해
• 자동차 내부 네트워크 I
• 자동차 내부 네트워크 II
• HLT over CAN
• OBD2 & UDS 프로토콜
• 자동차 내부 네트워크 해킹
• 자동차 CAN IDS
• CAN 리버싱

 

자동차 전장 시스템 이해

자동차 전장 시스템 개요

• 자동차 전장 시스템이란?
  • 전자 제어를 기반으로 자동차의 성능, 안전성, 편의성을 향상시키는 시스템
    • 전장(E/E : Electronical&Electronic) : 자동차에 들어가는 모든 전기 및 전자 장치 등을 포함
  • 현재 자동차 개발 비용의 40% 이상을 차지, 지속적으로 증가하는 추세
• 자동차 전장 시스템의 역할
  • 환경 (ECO)
    • 연료 효율 개선 및 배출가스 감소
  • 안전 (Safety)
    • 센서 및 전장 시스템으로 차량 상태와 주변 상황 실시간 모니터링
    • 사고 발생 시 대처 능력 향상
  • 엔터테인먼트 (Entertainment)
    • 이동 수단 이상의 경쟁력 제공 (음악 감상, 스포츠 모드, 실시간 영상 시청 등)
• 예시
  • 스티어링 시스템
    • (과거) 기계식 조향장치
      • 조향 휠과 바퀴가 기계적인 연결로 구성
    • (현재) Electric Power Steering (EPS)
      • 조향 휠과 바퀴 사이에 전자제어장치 (ECU) 와 모터가 추가된 구조
      • 사용자의 운전의 용이해지고, 안전해짐
• 전자제어장치 (ECU, Electronic Control Unit)
  • 여러 센서에서 데이터를 받아 연산을 처리한 뒤 다양한 엑추에이터를 제어하는 전자장치
  • ECUs
    • 엔진제어모듈 (ECM)
    • 파워트레인 제어모듈(PCM)
    • 변속기 제어모듈(TCM)
    • ...

 

자동차 네트워크 개요

• 자동차 네트워크 종류
  
  • 자동차 외부 네트워크 - Wireless External Network
    • 정의
      • 자동차와 외부 사이의 정보를 주고 받기 위한 네트워크
        • 무선 외부 네트워크
        • 유선 외부 네트워크
    • V2X
      • V2V, V2I, V2H, V2N, ..
  • 자동차 외부 네트워크 - Wired External Network
    • 자동차와 진단 장치 (CAN 통신), 전기자동차 충전 (PLC 통신)
  • 자동차 내부 네트워크 (IVN, In-Vehicle Network)
    • ECU 사용의 증가로 인해 필요해짐
    • 자동차 내에서 정보를 주고 받기 위한 네트워크
      • CAN
      • CAN-FD
      • FlexRay
      • LlN
      • MOST
      • Ethernet

자동차 전장 주요 도메인

• Automotive Domains
  • 자동차는 다양한 전자제어시스템으로 구성되어 있음, 각 시스템은 특정 기능과 역할에 따라 도메인으로 구분 가능
• Powertrain
  • 실시간 제어가 중요해짐으로서 요구됨
  • 차량을 움직이는 데 필요한 에너지를 생성하고 이를 차량으로 전달하는 모든 구성 요소
• Chassis
  • 실시간성 요구가 높으며, 정확한 타이밍 제어가 중요해짐으로서 요구됨
  • 파워트레인을 지지
  • 자동차의 기본적인 구조를 제공하는 프레임 (framework)
  • 주요 구성 요소 : Steering, Brake, Suspension 등
• Body (and Comfor)
  • 간단한 데이터 전송이 주이기에 상대적으로 낮은 대역폭 (Low Bandwidth) 을 요구
  • 자동차의 동적 제어와 직접 관련이 없는 기능을 포함하는 도메인
  • 운전자와 승객의 편의성을 향상하는 시스템
  • 일반적으로 수 ms (밀리세턴드) 수준의 지연 시간을 허용 (high latency)
• ADAS (Advanced Driver Assistance System)
  • 센서 데이터를 처리하기 위해 높은 계산 성능과 대역폭 (high bandwidth) 을 요구
  • 자율 주행과 관련된 도메인
  • 일반적으로 수백 마이크로초 수준의 지연 시간을 허용하지만, 충돌 방지와 같은 critical 한 기능은 더 짧은 응답 시간이 요구됨
• HMI (Human-Machine Interface)
  • 사람과 기계 간에 어떻게 상호작용을 하는지 인간 공학적인 관점에서 더 편리하고 쉽게 명령을 입력할 수 있는 인터페이스
  • 높은 대역폭을 요구하나, 대체로 수 ms 수준의 지연 시간을 허용

 

최신 자동차 전장 시스템 동향

• 소프트웨어 정의 자동차 (SDV, Software-Defined Vehicle)
  • 자동차의 주요 기능이 소프트웨어를 통해 구동되는 자동차
    • 과거에는 하드웨어 중심의 디자인이였으면, 최신에는 소프트웨어 중심의 디자인으로 변화함
• 차세대 전기, 전자 아키텍쳐
  • 현재 ECU 들이 분산되어 제어하는 분산형 아키텍처
  • 기능 중심으로 통합 제어하는 도메인 기반 아키텍처 
  • 물리적 근접성을 중심으로 통합 제어하는 영역 기반 (Zonal Architecture)
• ECU 에 적용되는 온디바이스 AI
  • 온 디바이스 AI 는 디바이스 자체에서 AI 를 구현하는 기술

 

 

자동차 내부 네트워크 I

자동차 내부 네트워크 (IVN) 개요

• ECU 간의 효율적인 데이터 송, 수신을 위한 자동차 내부 네트워크 통신 방법이 필요
• 예시 : Bus 방식의 네트워크
  • 배선 복잡도 간결, 배선 조립 관련 작업량 감소, 배선 조립 가격 및 시간 감소 . . .
  • 자동차 신뢰도 상승 및 자동차 연비 증가
• 다양한 종류의 자동차 내부 네트워크가 개발
  • 대표적인 자동차 내부 네트워크 프로토콜 CAN
    • 40년 가까이 실제 자동차에 적용되어 왔고, 앞으로도 적용될 예정
• Multiple CAN Buses
  • 단일 CAN 버스만 사용하지 않음
  • 특정 CAN 버스만으로는 모든 데이터를 수집할 수 없음
    • 필요한 데이터를 수집하려면 여러 CAN 버스를 병렬로 연결

 

CAN 통신 프로토콜 개요

• What is CAN (Controller Area Network) ?
  • 주요 Design 목적
    • 전자기적인 노이즈 등과 같은 열악한 환경 또는 불안전한 환경에서도 정상적인 기능을 수ㅐㅎㅇ
    • 자동 충돌 감지 및 재전송을 하드웨어적으로 자동 처리 (오류 검출 및 자동 재전송)
  • 표준 CAN (버전 2.0A) : 11 bits 1D 사용
  • 확장 CAN (버전 2.0B) : 29 bits ID 사용
  • 차량, 항공기, 산업용 제어기 등 다양한 곳에서 사용
• CAN 통신 프로토콜의 장점
  • Reliability
  • Cost-effectiveness
  • Scalability
  • Availability
• 데이터 링크와 물리 계층에서 묘사됨
  • 데이터 링크 계층 : ISO 11898-1
  • 물리 계층 : ISO 11898-2
• CAN Bus
  • Multi-master & Message Broadcasting Network
  • 2개의 통신 선을 사용 (Twisted wire pair)

    

    
    
    • 구성
      • CAN High (CAN-H)
      • CAN Low (CAN-L)
    • 노이즈를 줄이기 위해 꼬아서 사용
    • 두 개의 구리 선 사이에 voltage 차이를 통해 통신
• 전자제어장치

  

  
  
  • Microcontroller
    • ECU 의 brain 역할
    • CAN 메시지를 해석하고 송, 수신할 메시지를 결정
  • CAN controller
    • CAN 프로토콜에 따라 메시지 인코딩
    • 오류 감지, 중재 등을 처리
    • MCU 의 복잡도를 줄이기 위해 대부분 MCU 에 통합됨
  • CAN Transceiver
    • CAN controller 와 물리적 CNA 배선을 연결
    • Controller 데이터를 신호차이로 변환하거나 역변환 제공
• Bit Encoding / Decoding
  • 2개의 logical 레벨
  • 하나의 논리적인 zero (0) 는 dominant 로 보내지고, 하나의 논리적인 zero (0)는 recessive 로 보내짐
    • CAN controller 가 0 을 보내고 싶으면 tranceiver 가 받아서 High 에는 3.5V 를 주고 Low 에는 1.5 V 를 주고 2V 차이가 발생
    • 1을 보내고 싶으면 모두에게 2.5 V 를 줌
  • 0 을 dominant bit 로 표현함
    • 0 과 1을 동시에 보내면 차이가 큰게 우세 
  • 오실로스코프로 측정 가능
• Bit Stuffing

  

  
  
  • 정의
    • 시간 동기화된 통신을 위해 도입된 방법
  • 원리
    • 동일한 비트가 5번 반복되면  동기화를 유지하기 위헤 sender 가 반대값의 비트를 보낸다.
  • 이는 CAN transceiver 가 자체적으로 처리한다.

 

CAN Frames

• CAN 프로토콜에서 4가지의 유형의 프레임이 정의됨
  • 데이터 프레임
    • 실제로 내가 전송하고자하는 메시지가 실려가는 프레임
  • remote 프레임
    • 원격에 메시지를 요청할 때 사용되는 프레임
    • 데이터가 실리지 않음
    • 해당 프레임을 보내도 사실 상 reponse 가 거의 없음 (경험적으로)
  • 에러 프레임
    • 에러가 발생될 때 사용되는 프레임
    • 연구자가 강제로 에러를 발생시키지 않는 이상 잘 발견되지 않음
  • 오버로드 프레임
    • 메시지를 주고받을 때 수신해서 처리하는 장치가 Buffer 에 찰 때 flow control 하는 프레임
• 데이터 프레임
  • 2가지 메시지 포맷이 있음
    • 표준 CAN data frame : 11 identifier 비트 (CAN 2.0A)  // Arbitration field
      • 경험상 85 % 이상이 표준 프레임
    • 확장 CAN data frame : 29 identifier 비트 (CAN 2.0B)
  • 하나의 CAN ID 는 하나의 ECU 에 정의되어 있음
    • 하나의 ECU 는 여러 가지 ID 를 보낼 수 있음
  • 아무것도 보내지 않는 상태가 1 V 이다. 
    • 이때, 어떤 ECU 도 보낼 수 있다.
  • 0 V 가 발생했다는 것은 특정 ECU 가 메시지를 보내려고 한다.
    
    • 나머지는 Receiver 상태가 됨.
  • 동시에 2개의 ECU 가 메시지를 보낸다고 할 때, 메시지의 우선순위를 나눈다. 이를 결정해주는 필드는 arbitration field 이다.
• Arbitration
  • 두 개 이상의 ECU 가 동시에 Bus 상으로 메시지 전송 시 발생
    • Bus 에 전송되는 메시지를 판단하는 과정
    • 더 낮은 ID 값을 가지는 ECU 가 Bus 를 점유 -> 우선순위가 더 높음 (high priority)

      

      
      
      • 5 번 bit 에서 arbitration 발생
        • node 2 는 1bit 이므로 전송이 중단, Bus 상에 Node 1 과 3의 0 비트를 전송
      • 2 번 bit 에서 다시 arbitration 발생
        • 최종적으로 Node 3 의 메시지가 Bus 에 전송 
      • 1을 보냈는데 Bus 에 0이 모니터링되면 우선순위가 낮은 것으로 판단하고 전송을 중단.
        • lost arbitration
      • 0을 보냈는데 Bus 에 1이 모니터링되면 에러가 발생한 것임!
      • CAN ID 가 작을 수록 우선순위가 높다.
        • 0x000 이 제일 높다.
  • remote 프레임
    • 데이터 프레임과 달리 RTR 비트가 recessive (1) 이다.
  • Q) 데이터 프레임과 remote 프레임이 동시에 전송되면?
    • 데이터 프레임이 우선적으로 전송됨 (RTR 비트가 데이터 프레임이 0이기 때문이다)
  • 에러 프레임
    • Error Flag 
      • active error flag
        • 6개의 연속된 0 으로 구성
        • dominant 인 것
        • 다른 노드는 bit stuffing error 로 인지 -> 에러 프레임을 보낸다.
        • CAN bus 의 error flag 가 증가됨 12개의 연속된 0으로 구성됨 (최대 12bit)
          • Secondary error flag 가 됨
      • passive error flag
        • 6개의 연속된 1 로 구성
      • bit stuffing 규칙을 받지 않음
    • Error Delimiter (구분자)
  • 오버로드 프레임
    • Overload Flag
      • 6개의 연속된 0
    • Overload Delimiter
      • 8개의 연속된 1
  • Inter-Frame Space (IFS)
    • 프레임 사이의 분리된 기간
    • 3개의 연속적인 1비트
    • 3 bit 를 쉬고 보낸다고 이해하면 됨

 

자동차 내부 네트워크 II

CAN Error Types

• CAN Bus error 는 여러 가지 이유로 발생 가능
  • 케이블 오류
  • 노이즈
  • 잘못된 termination
  • Malfunctioning CAN 노드
  • ...
• Error 를 식별, 분류 및 해결하는 것은 전체 CAN 시스템의 지속적인 성능을 보장하는 데 중요
  • Error 처리는 CAN 의 견고성에 매우 중요
• 5가지 유형
  • Bit Level 에서 탐지되는 에러
    • Bit Error
      • CAN 에서 전송한 Bit 와 모니터링된 Bit 가 다른 경우
      • Sender (Transmitter) 가 탐지
    • Bit Stuffing Error
      • Bit Stuffing 룰이 위배되는 경우
      • Receiver 가 탐지
  • Message Level 에서 탐지되는 에러
    • Form Error
      • 프레임 포맷이 어긋나는 경우
    • ACK Error
      • ACK slot 이 0으로 표현되지 않는 경우
      • Sender 가 탐지
    • CRC Error
      • 수신한 CRC 와 계산된 CRC 가 다른 경우
      • Receiver 가 탐지

 

CAN Error Handling

• CAN Node States
  • Error Active
    • default 상태
    • Active Error Flag 를 전송 (0bit 가 6개로 이루어짐)
  • Error Passive
    • Passive Error Flag 를 전송 (1bit 가 6개로 이루어짐)
    • 기존 3bit IFS 외에 추가적으로 8 recessive bits (1bit가 8개) 를 대기 // aka Suspend Transmission Time)
  • Bus Off
    • 논리적으로 CAN 버스에서 CAN 노드가 분리됨
    • 데이터 전송 및 에러 플래그 발생 불가
    • Bus 를 모니터링만 하고 있는 상태
    • 128번의 연속된 11bit 를 모니터링하면 error active 상태로 복구할 수 있음 
• Error Counters

  

  • Transmit Error Counter (TEC) 와 Receive Error Counter (REC) 로 구성
    • TEC는 전송할 때 에러가 발생하면 count 증가
    • REC는 받을 때 에러 발생하면 count 증가
  • 둘 중에 하나가 127 를 넘으면 error passive 로 들어감
  • TEC 가 255 보다 커지면 bus off 로 들어감
  • 규칙
    • 송신 ECU 상태에서 Error 탐지 시 TEC(+8)
    • 수신 ECU 상태에서 Error 탐지 시 REC(+1)
    • 정상적으로 수행된 경우 둘 중에 하나가 1 감소

 

기타 자동차 내부 네트워크

FlexRay

• 배경
  • ECU 개수 증가함에 따라, CAN 네트워크 부하율이 올라가 정보 수신율이 저하됨
  • 당시에는 CAN 채널을 중복으로 사용하여 해결 -> CAN 채널 개수 증가 -> 배선이 많아짐 -> 연비가 떨어짐
• 특징
  • Media Access : TDMA (Time Devision Multiple Access)
    • 메시지 충돌이 발생하지 않음
  • Redundancy : 2 Channels
    • Error 발생 유무를 부가적으로 체크 가능
  • Time Trigger 방식으로 정보를 100% 받을 수 있음 (원하는 시간 내에)

 

CAN-FD (Controller Area Network Flexible Data rate)

• 배경
  • FlexRay 의 안전성 및 신뢰성 문제
  • CAN 의 bandwidth 문제를 해결하고 최신 차량용 내부 네트워크 요구사항을 만족시키기 위한 프로토콜이 요구됨
• 특징
  • Media Access : CSMA/CR

 

 

ISO-TP 프로토콜

CAN 기반 상위 계층 프로토콜 개요 (HLPs based on the CAN)

• 8 byte 가 넘어가는 데이터를 보낼 때 쪼개서 보낼 것인데 어떻게 할지를 정의하는 프로토콜
• 종류
  • ISO-TP 프로토콜
    • CAN 데이터 프레임의 8byte 한계를 넘어 대용량 데이터 전송을 가능하게 함
    • 여러 프레임으로 나누어 데이터를 송신하고, 수신 측에서 이를 재조합
  • OBD-II 
    • 자동차 엔진 상태 및 배기가스 데이터를 진단하기 위한 초기 프로토콜
    • 내부 상태 데이터를 요청하고 이를 읽어 자동차 상태 점김 및 문제를 해결
  • UDS (Unified Diagnostic Service)
    • OBD-II 를 확장한 국제 표준 프로토콜 ECU 간 복잡한 진단 및 소프트웨어 업데이트를 지원

 

ISO-TP 프로토콜

• 주요 특징
  • 연결 지향 전송 프로토콜
    • 주소 지정
  • 최대 4095 byte 데이터를 전송 가능
  • 네트워크 통신의 흐름 제어 -> 충돌 방지
• Addressing types
  • 기본 Addressing 
  • 확장된 Addressing
    • 첫 바이트를 주소 지정을 하기 위한 추가적인 정보로 사용
    • 유형
      • Single Frame (SF)
        • 최대 7바이트 메시지 전송 가능
        • B1 : 메시지의 형태를 위해 사용되는 단일 바이트 
          • 0 : 초기 시작 Data Field
          • L : 메시지의 길이
        • B2-8 : 메시지 바이트
          • 사용되지 않은 바이트는 pad 바이트라고 불림
      • Multi Frame messages
        • First Frame (FF)
          • 첫번째 2바이트를 추가 정보로 확인
          • Sender 가 보냄
          • 구성
            • B1-2 : 메시지 포맷을 위해 사용되는 바이트
              • 1 : 처음으로 시작하는 Data Field
              • LLL : 메시지 길이
            • B3-8 : 메시지 바이트
              • 패딩이 없음
        • Consecutive Frames (CF)
          • 첫번째 1바이트를 추가 정보로 확인
          • Sender 가 보냄
          • 구성
            • B1 : 메시지 포맷을 위해 사용디는 바이트
              • 2 : 처음으로 시작하는 Data Field
              • S : 1값으로 시작하고 증가한다.
            • B2-8 : 메시지 바이트
        • Flow Control Frames (FC)
          • 첫번째 3바이트를 추가 정보로 확인
          • Receiver 가 보냄
          • 구성
            • B1
              • 3 : 처음으로 시작하는 Data Field
              • F : Flow Control Flag
            • B2
              • BS : 블록 사이즈
            • B3
              • ST : 연속적인 프레임들 사이에서 최소 분리 시간
            • B4-8
              • 패딩

 

 

OBD2 및 UDS 프로토콜

OBD 2 프로토콜

• OBD-II PIDs (Parameter IDs)
  • 물리적인 Addressing
    • 1대1 CAN ID 매칭
      • 각 ECU 에 물리적인 CAN ID (>=1) 가 할당
  • Functional Addressing
    • 1대N CAN ID 매칭
      • CAN ID 0x7DF
      • UDS (Unified Diagnostic Services)
    • single 프레임만 사용
  • PID CAN 메시지 포맷
    • 요청 메시지
      • CAN ID 0x7DF
      • CAN ID 0x7E0~0x7E7이 할당된 ECU 들이 응답
    • 응답 메시지 
      • CAN ID 0x7E8~0x7EF (assigned ID + 0x08)
  • OBD 2 Scanner
    • ELM327
      • 사용자가 자신의 자동차 정보를 실시간으로 확인할 수 있도록 해주는 장비
      • 모든 OBD II 프로토콜 지원하는 microcontroller
      • at 커맨드 방식으로 모든 제어를 수행

 

 

UDS 프로토콜

• UDS (Unified Diagnostic Services)
  • OSI 모델의 세션 계층과 응용 계층을 활용
  • Client / Server 통신
    • Client = Scan Tool (or Tester)
    • Server = ECU
  • 많은 서비스들을 포함하는 6 function group
    • Diagnostic and Communications Management
    • Data Transmission
    • Stored Data Transmission
    • Input / Output Control
    • Remote Activation of Routine
    • Upload / Download
  • 메시지 유형
    • 진단 서비스 요청
    • 진단 서비스 응답
      • 긍정 : SID | 0x40
      • 부정 : 0x7F
  • NRC (Negative  Response Code)
    • rejection 의 원인에 관한 정보를 제공

 

 

자동차 내부 네트워크 해킹

자동차 내부 네트워킹 주요 해킹 사례

• Charlie Miller and Chris Valasek (2013~)
  • UW 와 UCSD 연구팀의 연구결과를 Motivation 삼아, 2013년부터 최근까지 유명 해킹 컨퍼런스에서 실제 차량 해킹 시연 및 차량 해킹에 대해 자세히 정리한 White Paper 를 꾸준히 발표 중임
• 2013년 8월 DEFCON 21 에서 차량 해킹을 시연&발표
  • Ford Escape 와 Toyota Prius 차량을 분석 후 결과를 공개
    • A simple example (2010 Ford Escape)
      • When no door is ajar the packet look like
        • ID : 0x3B1, DLC: 08, Data(HEX) : 00 00 00 00 00 00 00 00 
      • When the driver's side door is ajar
        • ID : 0x3B1, DLC: 08, Data(HEX) : 80 00 00 00 00 00 00 00 
  • CAN 메시지를 주입하는데에 있어서 문제점
    • 수신 ECU 에 Safety 기능이 구현되어 있음
    • 공격 CAN 메시지와 정상 CAN 메시지가 혼재함
• 2014 Jeep Cherokee 의 In-Vehicle 네트워크 아키텍처 분석
  • 다양한 외부 네트워크와 연결 -> Remote Attack Surface 존재
  • In-Vehicle 네트워크와 연결 -> CAN message injection
  • Uconnect system compromise 되면 모든 ECU 에 메시지 전송이 가능
• Remote Exploit Chain (2014 Jeep Cherokee)
  • Remote Hacking through cellular network
    • Internet port scan
    • 2013-2015에 제조된 취약점 차량 발견
  • Exploit the chip of the head unit
  • ECU firmware 강제 update
  • Malicious CAN messages injection

 

자동차 내부 네트워크 공격 유형

• DoS Attack (or Flooding Attack)
  • CAN ID 메시지 우선순위를 이용한 공격 (Arbitration 과정)
  • 우선순위가 높은 CAN ID 의 메시지를 CAN bus 에 다량 주입하여 모든 ECU 가 메시지 송신을 불가능하게 만드는 공격
• Fuzzing Attack
  • 무작위로 조작된 CAN ID 와 임의의 데이터를 포함한 메시지를 생성해서 CAN bus 에 주입하는 공격
  • 모든 ECU 가 조작된 메시지를 수신하게 되어 예상치 못한 동작을 유발
• Replay Attack
  • 로깅해 놓은 메시지의 traffic 들을 다시 replay 시키는 것
• Spoofing Attack (or Fabrication Attack)
  • 자동차의 특정 기능을 의도적으로 제어하기 위해 악의적인 메시지를 다량 주입하여 정상 메시지 동작을 방해하는 공격
• Suspension Attack
  • ECU 통신을 중단하거나 멈추게 하는 공격
    • UDS 패킷을 활용, Bus-off 메커니즘 등을 악용하여 수행
• Masquerade Attack
  • Suspension 과 Spoofing attack 의 결합된 형태의 공격
  • 특정 ECU 를 suspense 하고 동일한 패턴의 메시지를 inject 하는 공격
• Bus-off Attack
  • bit error 를 강제로 발생시키는 것을 통해 TEC 를 증가시켜 Bus-off mode 로 변경시키는 공격
    • Error via physical access
    • Error via remote access
      • 제약
        • 동시에 전송
        • 같은 ID 를 갖는 message 를 injection
        • 높은 우선순위를 갖는 payload 를 생성
      • 문제점
        • attacker 도 TEC 가 올라감
          • 하지만, victim 이 passive error flag 를 보내는 경우 attacker 의 TEC 가 감소함
          • 이 과정을 계속 반복시키면 attacker 는 bus-off 에 빠지지 않을 수 있음

 

자동차 CAN IDS

자동차 내부 네트워크 보안기술

• Detective Method
  • IDS (Intrusion Detection System) : 특정 Pattern 을 분서갛여 Normal 또는 Anomaly 상황을 탐지
• Preventive Method
  • Firewall : 특정 네트워크에서 다른 네트워크로의 접근 차단
  • Encryption / Message Authentication : 암호 알고리즘을 적용하여 정당한 ECU 만 메시지를 송/수신함
• Industrial Field 기술 동향
  • Checksum - Prius (Toyota)
  • Message Frequency - Jeep Cherokee (Chrysler)
  • Access Control (OBD2 port)
  • Data pattern (Miller and Valasek
• Secure CAN Transceiver (NXP)

 

자동차 CAN IDS 유형

• 대표적인 CAN IDS
  • CAN traffic 의 통계적 특성을 활용
    • 주기를 이용해서 ID 별로의 시간 차이의 분포를 보고 탐지
    • 수집된 센서 정보들 간의 correlation 을 학습 데이터로 사용 상관관계가 높은 센서들 간의 cluster 를 생성해서 새롭게 수집된 센서 정보들 간의 correlation 오차가 threshold 를 초과하면 이를 공격으로 탐지
  • ECU 의 하드웨어 특성을 이용
    • Clock skew 를 이용하여 공격을 탐지, 공격을 수행한 ECU 를 식별
      • 기기간의 하드웨어 클록 차이로 인해 발생하는 clock offset 의 변화량
  • Deep learning 활용한 IDS
    • CNN 을 이용해서 네트워크 traffic 패턴을 학습하여 악성 패킷을 탐지
      • Inception-ResNet 모델을 활용

 

CAN Bus 리버싱

CAN Bus 리버싱 개요

• 역공학을 통해 할 수 있는 일
  • 자동차 내부 네트워크 구조 이해
  • Automotive IDS 개발 및 취약점 분석
  • 자동차 내부 네트워크 모니터링 및 판단
• Comma.ai
  • 2015년에 설립된 반자율주행 스타트업
  • 설립자인 조지 호츠는 아이폰과 플레이스테이션을 최초로 해킹한 해커
  • 자체 제작한 반자율주행 키트를 판매하고자 함
• 자율주행 기능이 있지 않은 평범한 자동차를 소프트웨어와 카메라가 포함된 키트를 활용하여 반자율주행 자동차로 바꾸는 것이 목표
• 카메라의 Image Processing 을 이용하여 주변 상황을 인지하지만, 해당 상황에 맞춰 자동차를 제어하기 위해서는 유효한 CAN 메시지를 차량에 전송해야 함

 

CAN DBC file

• What is a CAN DBC file (CAN bus databases) ?
  • 원시 CAN bus data 를 physical 값으로 디코딩하기 위한 정보를 포함하는 text file
  • 어디부터 어디까지가 speed 관련 정보이고 어디부터 어디까지가 brake 관련 정보인지 등등을 알려주는 file
• DBC format 파일에 명세되어 있는 정보
  • Periodic Message
    • 대부분의 CAN 메시지는 주기적으로 Bus 상으로 전송
  • Event CAN Message
    • 특정 이벤트 발생 시에만 전송되는 메시지
  • Periodic and on-Event Message
    • 주기적으로 전송 중 특정 이벤트 발생 시 추가적으로 전송되는 메시지
  • Network Mapping
    • 서로 다른 ECU 는 동일한 CAN ID 를 공유하지 않음
    • 메시지 송/수신 관계는 DBC 파일에 명시되어 있음
  • Signal information
    • Startbit, Length, Min, Max, ...
  • Signal types
    • Constant
    • Multi-values
    • Counters
    • Checksum

 

CAN Bus 리버싱

• CAN Traffic 모니터링
  • PCAN-view- CAN Bus monitoring tool
• CAN 메시지 전송 유형
  • Periodic message
  • Event message
  • Periodic and on-Event message
• CAN Network mapping
  • CAN Network mapping 필요성
    • 악성 ECU 발견
    • 네트워크 attestation 수행
    • 자동차 보안 testing 을 위한 Ground Truth 확보
  • CAN Network mapping 목표
    • ECU 열거
    • 메시지 송신자 식별
    • 메시지 수신자 식별
  • ECU Suspension based
    • 특정 ECU 의 메시지 전송을 중단시키고 CAN 네트워크를 확인하여 mapping 하는 방법
      • UDS
      • Bus-off mode