內容提要：在本文中，我們描述了軟件和硬件攻擊如何危及基于AUTOSAR的ECU安全性的幾種情況。我們認為攻擊者可以物理訪問ECU，能夠利用軟件和硬件漏洞。我們討論了攻擊者如何使用不同的攻擊技術來利用這些漏洞。此外，我們詳細描述了一個案例研究，在該案例研究中，我們通過對AUTOSAR通信堆棧執行電壓故障注入攻擊，在基于AUTOSAR的演示ECU上執行任意代碼。

摘要

汽車開放系統架構 (AUTOSAR) 開發合作伙伴關系是一項全球倡議，旨在共同開發和建立汽車E/E軟件架構的開放行業標準。該標準正在迅速被汽車行業采用，因此了解基于AUTOSAR的電子控制單元 (ECU) 的攻擊面非常重要。在本文中，我們描述了軟件和硬件攻擊如何危及基于AUTOSAR的ECU安全性的幾種情況。我們認為攻擊者可以物理訪問ECU，能夠利用軟件和硬件漏洞。我們討論了攻擊者如何使用不同的攻擊技術來利用這些漏洞。此外，我們詳細描述了一個案例研究，在該案例研究中，我們通過對AUTOSAR通信堆棧執行電壓故障注入攻擊，在基于AUTOSAR的演示ECU上執行任意代碼。如果攻擊者能夠在ECU上執行任意代碼，則可能會出現多種汽車威脅。例如，如果ECU的代碼未使用安全啟動進行身份驗證，則可以持續修改ECU的功能。

1.引言

在過去的30年里，汽車的電氣化實現了巨大的飛躍。起初，汽車中只部署了簡單的控制邏輯，而如今，諸如動力總成控制和自動駕駛信號處理等要求苛刻的任務都由計算機處理?，F在的汽車依賴于數十臺不同的計算機，通常稱為電子控制單元 (ECU)，從傳感器到高性能計算平臺。汽車行業很快意識到需要某種形式的標準化，因為多個供應商和制造商正在合作生產一款現代汽車。從90年代的OSEK/VDX開始，AUTOSAR 標準逐漸演變。該標準由AUTOSAR聯盟制定，其目標是為汽車行業的所有制造商和供應商提供通用的軟件架構規范。

基于AUTOSAR的ECU的威脅模型，應該包括本地和遠程攻擊者，以及具有明顯不同預算、不同技能和完全不同動機的攻擊者。AUTOSAR標準及其構建的標準（例如MISRA C）主要關注對安全和防護至關重要的軟件魯棒性。盡管如此，ECU還可能會受到硬件攻擊。

在本文中，我們介紹了AUTOSAR，作為背景。攻擊者可以通過查看代碼（如果源代碼可用）或逆向工程（如果只有二進制軟件可用）來識別軟件漏洞。在我們的研究期間，我們沒有可用的真正基于AUTOSAR的ECU軟件。我們使用免費提供的AUTOSAR軟件堆棧來創建演示平臺。我們描述了如何將軟件漏洞引入基于AUTOSAR的ECU的幾種情況。

當軟件漏洞未知時，攻擊者可能會訴諸其他類型的攻擊。我們描述了其中的幾種攻擊，范圍從簡單的PCB級攻擊（例如調試接口）到更高級的硬件攻擊，例如故障注入。這些硬件攻擊的結果可能最終會控制ECU和/或提取（安全）信息。此外，如果沒有實施適當的代碼簽名機制（即安全啟動），也可能導致ECU固件被修改。這并非不可能發生的情況，因為通常認為僅從內部存儲器存儲和執行代碼的設備不需要安全啟動。

AUTOSAR的介紹在第2節中描述。在第3節中，我們描述了對AUTOSAR的軟件攻擊，在第4節中，我們描述了對AUTOSAR的硬件攻擊。我們執行故障注入攻擊的案例研究在第5節中進行了描述。最后，在第7節中我們提供了一個總體結論。

2.AUTOSAR

在汽車環境中，操作系統的任務和職責不同于傳統的計算機系統。在這種環境中，重點是傳感器信息的實時處理，并大量使用總線協議與其他ECU進行通信。AUTOSAR規范使用三層抽象方法來簡化軟件開發。微控制器特定驅動程序、內核以及通信堆棧在基礎軟件層(BSW)中實現。通過使用提供對BSW功能的訪問的運行時環境(RTE)，可以獨立于底層硬件開發用戶應用程序。這種分層方法如圖1所示。

圖1.AUTOSAR分層軟件架構

AUTOSAR標準有兩種不同的版本：AUTOSAR Classic平臺和AUTOSAR Adaptive平臺。AUTOSAR Classic平臺是靜態鏈接的，不是很靈活。它通常用于汽車深處的核心ECU。相比之下，AUTOSAR Adaptive平臺是動態鏈接的，利用C++14功能，因此非常靈活。它通常用于高性能和高度連接的ECU。AUTOSAR聯盟包括汽車市場上的所有主要供應商。因此，我們希望AUTOSAR在現代汽車中占有重要地位。不過，在本文中，我們主要關注AUTOSAR Classic平臺。

3.軟件攻擊

AUTOSAR標準旨在為ECU生產安全可靠的軟件。它建立在MISRA C和CERT C等廣為接受的安全編碼標準之上。完全遵守這兩個編碼標準的基于AUTOSAR的軟件堆棧應該是安全的。在本節中，我們提供了幾種可能將軟件漏洞引入不同AUTOSAR組件的場景。請注意，本節中提供的示例絕不是詳盡的列表。

A.MCAL漏洞

微控制器抽象層(MCAL)通常與MCU捆綁在一起。這意味著MCAL通常由MCU 制造商開發。因此，ECU廠商要集成MCU的MCAL需要符合AUTOSAR規范。所有主要的MCU制造商都為其MCU提供此類符合AUTOSAR標準的MCAL包。如果MCAL沒有正確遵守AUTOSAR標準，則在ECU制造商集成MCAL時可能會引入軟件漏洞。出于這個原因，MCAL的開發人員必須保證MCAL的安全實施。此外，MCAL的集成商可以進行（安全）代碼審查，以檢查MCAL是否根據AUTOSAR的要求安全實施。

它通常取決于AUTOSAR軟件堆棧的上層如何使用MCAL的功能。例如，如果EEPROM驅動程序中存在可利用的整數溢出漏洞，如果對可傳遞給此易受攻擊的EEPROM驅動程序的參數有限制，則該漏洞可能無法利用。盡管如此，我們認為確保AUTOSAR軟件架構所有層的漏洞都得到緩解，是非常重要的。特別是考慮到易受攻擊的驅動程序的使用，可能會在未來的產品中發生變化，從而使軟件漏洞可被利用。換句話說，MCAL不應盲目信任上層傳遞的數據。

B.通信服務漏洞

新的和復雜的通信堆棧（例如以太網）的引入影響了汽車行業。它們需要解析復雜的數據結構，而傳統的通信堆棧（即CAN）則不需要。尤其是構建在其上的協議（即TCP/IP、UDS等）容易出現軟件漏洞?；赗TOS的ECU通常不能使用源自通用計算機（例如Linux）的經過驗證的通信堆棧。它們根本不符合RTOS的要求。然而，符合條件的通信棧通常沒有經過適當的測試。最近進行的研究發現，FreeRTOS的TCP/IP堆棧充滿了可利用的漏洞。SAFERTOS也使用了這個易受攻擊的TCP/IP堆棧，它已通過ISO 26262 ASIL-D預認證。通信堆棧應該得到適當的審查，這些通信堆棧的集成商需要開始要求保證這種審查是正確進行的。

4.硬件攻擊

硬件攻擊要求攻擊者實際出現在目標面前。大多數硬件攻擊，除了使用暴露在外部的接口，都需要攻擊者打開設備。本節中描述的幾種攻擊需要專門的工具，其中一些現在很容易獲得。對于有組織犯罪和國家行為者等資金雄厚的行為者來說，其他高端工具可能仍然觸手可及。

A.PCB級

印刷電路板(PCB)級攻擊包括基本的硬件攻擊，其中攻擊者打開ECU以探測和/或修改其PCB。攻擊者通常這樣做是為了提取非易失性存儲器的內容、訪問調試接口，或嗅探芯片之間的通信。根據ECU的設計，其他攻擊也可能適用。如果沒有采取足夠的措施來防止這些攻擊，ECU可能會被完全破壞。如果ECU不能被完全破壞，從PCB級攻擊中獲得的信息通常用于執行更高級的攻擊，如故障注入和側信道分析。

1) 修改外部存儲器內容：攻擊者可以使用標準閃存編程器來修改外部存儲器（例如eMMC）的內容。能夠修改存儲在外部存儲器中的代碼的攻擊者，將能夠在ECU上執行任意代碼。間接地，這也可以通過修改導致可利用的軟件漏洞的數據來實現。來自外部存儲器的代碼和數據不應被信任。因此，存儲在外部存儲器中的任何代碼和數據都應在使用前進行身份驗證（即應實施安全啟動）。

2) 提取外部存儲器內容：攻擊者可以使用標準閃存編程器來提取外部存儲器（例如EEPROM）的內容。如果任何安全敏感數據在未受保護（即未加密）的情況下存儲在外部存儲器中，這可能會受到具有設備物理訪問權限的攻擊者的危害。因此，對存儲在外部存儲芯片上的安全敏感數據進行加密非常重要。

3) 調試接口：所有的MCU都有一個硬件調試接口，可以用來訪問MCU的內部。因此，這些調試接口應該得到適當的保護。工具和知識可以負擔得起與硬件調試接口進行通信。能夠與硬件調試接口通信的攻擊者也能夠完全破壞ECU的安全性。大多數OEM要求保護這些調試接口。由于這個原因，通?？梢赃m當地緩解這種威脅。

4) 信號修改：安全關鍵數據不應存儲在外部存儲器中，尤其是在需要保證此數據的完整性時。一個可能出錯的例子，是統一診斷服務(UDS)的安全訪問檢查服務部分的嘗試計數器，根據AUTOSAR標準，它應該按原樣實現。在執行三次不正確的身份驗證嘗試后，會觸發十分鐘的嘗試延遲。如果嘗試計數器存儲在外部閃存中，攻擊者可以通過修改PCB上的外部閃存信號來阻止嘗試計數器的正確寫入。

B.故障注入

故障注入攻擊通過影響芯片的環境條件來改變芯片的預期行為。將毛刺注入目標以影響硬件和軟件的預期行為。基本的故障注入技術會影響芯片的時鐘和/或電壓供應，而更高級的故障注入技術會將電磁脈沖和/或激光脈沖注入芯片表面。如今，大眾能以可承受的價格獲得這些類型攻擊所需的工具。

學術界經常研究這些故障（即故障模型）引入目標的故障類型。學術研究之間的共同點是可以在執行指令時修改指令，這是一種強大的攻擊原語。清單1顯示了ARM AArch32系統上ADD指令的指令損壞示例。只有翻轉指令代碼中的一位，才能改變加法的結果。這完全影響了軟件的預期行為。因此，故障注入攻擊者完全破壞了大多數ECU所依賴的軟件安全模型。

清單1.ADD指令的損壞

傳統的故障注入攻擊旨在當做出安全關鍵決策時改變芯片的預期行為，而更高級的攻擊旨在通過執行任意代碼來控制芯片。第5節中描述的案例研究展示了這種高級攻擊。

C.側信道分析

側信道分析 (SCA) 攻擊是被動攻擊，其中使用側信道從設備獲取信息。常見的側信道是時序、功耗和電磁輻射。這些攻擊通常用于從設備中提取密鑰或繞過身份驗證機制。汽車行業使用的典型目標是 UDS安全訪問檢查和加密操作（例如HSM）。這些攻擊對軟件和硬件實現都有效。

5.案例研究：AUTOSAR上的FI

在本節中，我們描述了一種高級故障注入攻擊，我們控制了基于AUTOSAR的ECU。ECU使用基于STM32F4的開發板實現，該開發板運行Arctic Core for AUTOSAR v3.1。雖然我們知道更新版本的AUTOSAR可用，但我們針對的通信堆棧在更新版本的AUTOSAR中實現幾乎相同。此外，我們假設攻擊者可以物理訪問ECU并訪問ECU的固件。

A.故障模型：指令損壞

在我們的攻擊中，我們依賴于這樣一個事實，即我們可以通過向MCU的電壓供應中注入毛刺來修改指令。這種攻擊并不是目標MCU或我們使用的故障注入技術所獨有的。與清單1中所示的示例類似，清單2描述了由于故障而改變指令中的位的影響。我們不是修改ADD指令，而是修改LDR指令以將寄存器值加載到PC中。這使我們能夠在出現故障時劫持流程的控制流。加載和存儲指令用于復制內存。對于ARM芯片，這是使用LDR指令或更高效的LDM指令完成的，其中使用單個指令復制多個4字節字。從攻擊者的角度來看，LDM指令更有趣，因為目標寄存器是使用一位配置的，這意味著只需將一位從0設置為1即可將寄存器中的值加載到PC中。這種攻擊僅適用于ARM AArch32架構。在他們的工作中，他們詳細比較了損壞的LDR和LDM指令，并表明控制程序計數器寄存器是可行的。大多數其他體系結構不允許直接將值加載到程序計數器寄存器中。盡管如此，這種攻擊的變體也適用于其他架構。

清單2.LDR指令的損壞

在開發故障模型時，必須考慮目標的特性。汽車環境中使用的微控制器通常通過ASIL保護級別認證，以滿足功能安全要求。然而，小故障仍然允許對手對通過最高保護級別ASIL-D認證的MCU進行攻擊。

B、故障目標：通信堆棧

在汽車中，傳感器信息、用戶輸入以及來自不同ECU的命令通常使用多種系統總線（例如 CAN、FlexRay、LIN 等）進行交換。因此，通信堆棧是在ECU上運行的每個RTOS的關鍵元素。為了滿足大多數常見的車載系統總線的要求，AUTOSAR通信堆棧支持各種總線協議，如CAN、以太網、FlexRay和LIN。

圖2.AUTOSAR通信堆棧

圖2描繪了當前的AUTOSAR通信堆棧。首先，MCAL檢測到總線中斷，然后將PDU轉發給相應的通信驅動程序。對于CAN，可以接收和處理CAN ISO-TP或原始CAN幀。為了繞過CAN的8個數據字節的長度限制，使用了ISO-TP協議。該協議仍然使用8字節幀。當發送高達4095字節的數據時，8字節的幀由ISO-TP驅動程序在ECU上組裝。PDU路由器負責將PDU路由到用戶應用程序或診斷通信管理器。

我們的攻擊旨在將受控數據加載到處理器的PC寄存器中。因此，我們需要攻擊一個允許我們提供自己數據的接口。我們假設此數據是使用LDR指令處理的。很難為故障計時以命中單個加載指令。幸運的是，在memcpy操作期間，多個加載和存儲指令在循環中連續執行。這使得攻擊對時間的依賴性降低。我們修改哪條加載指令成功并不重要，只要修改一條即可。

圖3.memcpy函數期間的毛刺注入時刻

在圖3中，我們展示了AUTOSAR通信堆棧使用的memcpy函數的反匯編表示。在循環中使用LDR和STR指令將數據從一個緩沖區復制到另一個緩沖區。只要通過CAN總線（或任何其他總線）將數據發送到ECU，就會使用此功能。這些源自ECU的數據受到攻擊者的控制。它實際上被不同的AUTOSAR層使用相同的memcpy函數復制了多次。此過程為攻擊者提供了多次成功注入故障的機會，以便將任意值加載到PC寄存器中。我們通過修改通信堆棧的代碼來驗證我們假設的攻擊。我們修改了一條加載指令，以便將源自CAN總線的值加載到PC寄存器中。我們的假設被發現是正確的：如果我們可以修改LDR指令，我們也可以將任意值加載到PC中。這一發現使我們有足夠的信心繼續展示真正的攻擊，其結果在第5-C節中進行了描述。

C.攻擊AUTOSAR

在這次針對AUTOSAR的硬件攻擊中，我們使用電壓故障注入來在控制單元上執行任意代碼。為了獨立于應用層中實現的用戶軟件，我們的目標是AUTOSAR的通信堆棧。使用這種攻擊，我們能夠將我們自己的代碼作為應用層中的獨立任務注入。在ECU上控制任務的優勢在于我們能夠添加可被惡意使用的功能。例如，我們可以添加從ECU中提取機密的功能，或者依賴某種形式的控制來執行后續攻擊。一個示例是從硬件安全模塊(HSM)中提取密鑰的旁路分析攻擊。

如第5-B節所述，AUTOSAR支持使用ISO-TP協議通過CAN發送最多4095個字節。由于CAN總線默認不支持身份驗證，因此任何能夠物理訪問總線的參與者都可以發送和接收數據。對于我們的攻擊，我們假設攻擊者能夠從捐贈汽車上移除ECU。通過分析AUTOSAR通信棧的源代碼，我們發現PDU是通過memcpy函數從PDU路由器傳輸到AUTOSAR COM或DCM模塊的。攻擊者可能會對固件進行逆向工程以得出相同的結論。通過在總線上發送地址然后觸發memcpy，我們可以將控制流重定向到任意位置。我們假設這種攻擊可能適用于大多數ECU，因為復制數據是一項基本操作。

AUTOSAR是一個靜態實時操作系統，這意味著不可能在運行時簡單地創建一個新任務。操作系統通過使用任務控制塊(TCB)來管理任務。在這個條目中，存儲了任務名稱、優先級、堆棧指針和任務的其他重要屬性。作為AUTOSAR內核基礎的OSEK/VDX規范需要一個OS IDLE任務。當沒有其他任務請求CPU時間時，將安排此任務。對于大多數ECU，此OS IDLE任務將實現為無限循環。換句話說，基于AUTOSAR的ECU不依賴于OS IDLE任務提供的功能。這允許我們濫用OS IDLE任務來注入我們自己的代碼。我們可以通過簡單地覆蓋存儲在內存中的OS IDLE任務指針來實現這一點。只要調度OS IDLE任務，就會使用該指針。請注意，針對任何其他任務也是可行的，但使用IDLE任務的優點是系統的整體功能不受影響。

圖4.通過CAN總線發送到ECU的有效載荷

圖4顯示了使用ISO-TP協議發送到ECU輸入緩沖區的有效載荷。有效載荷由三個主要部分組成：

1)TCB操作：此代碼覆蓋IDLE任務堆棧上存儲的任務指針。新地址的值指向SRAM中放置惡意IDLE任務的區域。

2)復制惡意IDLE任務：將新任務的代碼復制到使用memcpy之前選擇的地址。

3)緩沖區地址：輸入緩沖區的起始地址重復多次，以減少毛刺的時間依賴性。

為了將惡意空閑任務放入內存并修改空閑任務的任務指針，程序的控制流被錯誤注入篡改。由于輸入緩沖區被標記為可執行，目標是將輸入緩沖區的地址加載到程序計數器寄存器中。為了降低故障注入攻擊的復雜性，輸入緩沖區的地址被重復多次。攻擊者現在只需要用誘發的故障攻擊這些地址之一。當攻擊成功后，會在下次調度IDLE任務時，執行惡意IDLE任務的代碼。

圖5.注入毛刺的時刻

圖5描述了我們的攻擊時間。首先，使用CAN總線傳輸有效載荷。然后，在發送完最后一幀后，觸發器會激活我們的毛刺發生器。由于找到成功毛刺所需的毛刺強度很復雜，因此我們隨機修改毛刺參數：毛刺長度、電壓和延遲。如果故障注入成功，惡意IDLE任務會使用UART向計算機發送一條消息。通過我們的設置，我們能夠在ECU上以每小時大約2次的速度執行任意代碼。成功率在很大程度上取決于所使用的設置和受到攻擊的設備，并且需要數十次故障嘗試才能成功。

6.硬化ECU

基于AUTOSAR的ECU的不安全設計，可能允許攻擊者使用邏輯漏洞破壞其安全性。當根據設計使用ECU的功能可以利用漏洞時，該設計是不安全的。一個例子是用于ECU身份驗證機制的小密鑰大小。如果設計很強大，攻擊者就會依靠軟件和/或硬件漏洞來破壞ECU的安全性。這些漏洞往往由開發人員在將設計轉化為實現時引入。使用軟件和/或硬件攻擊，可以利用這些漏洞來破壞ECU的安全性。人們通常認為，如果不引入漏洞，就無法將設計轉化為實現。因此，盡可能讓攻擊者難以利用這些漏洞很重要。

A.使軟件攻擊變得困難

安全的嵌入式設備，如智能手機，為了安全，依賴于源自通用的軟件利用緩解技術。例如，在現代智能手機上，標準實現堆棧緩沖區溢出保護（例如堆棧cookie）、堆棧/堆內存保護（例如W⊕X）和地址空間布局隨機化（例如ASLR）。實施這些軟件利用緩解技術將顯著增加利用基于內存損壞的軟件漏洞的復雜性。不幸的是，現代ECU不支持或限制這些基本的利用緩解技術。

B. 使硬件攻擊變得困難

依賴于利用硬件漏洞的硬件攻擊（例如故障注入）很難緩解。這些攻擊能夠破壞ECU所依賴的軟件安全模型。大多數可供ECU設計人員使用的MCU都沒有針對故障注入等硬件攻擊進行強化。因此，ECU的設計者只能嘗試使用MCU的標準功能和執行的軟件來加固ECU，以抵御硬件攻擊。盡管硬件攻擊難以防范，但它們通常只是通向更相關攻擊的墊腳石。例如，硬件攻擊用于提取固件，以便找到可以遠程利用的軟件漏洞。此固件中存在的任何秘密（即密鑰）也將暴露。因此，通常可以通過不在固件中存儲任何秘密，并確保難以利用軟件漏洞來將硬件攻擊的影響降至最低。更詳細地說，不要依賴默默無聞的安全性。MCU實現的大多數代碼保護功能都容易受到故障注入攻擊。

7.結論

AUTOSAR的安全性可能會因軟件和硬件攻擊而受到損害。盡管遠程攻擊最為嚴重，但在本地執行的攻擊仍然會影響現代汽車的安全性。本地攻擊通常是執行遠程攻擊（例如提取固件）的墊腳石，或者僅足以滿足攻擊者的用例（例如損害資產）。應盡量減少攻擊者需要實際存在的攻擊的影響。安全敏感數據不應存儲在固件中。

在我們的案例研究中，我們表明可以使用故障注入攻擊來控制（即執行任意代碼）基于AUTOSAR的ECU。我們在AUTOSAR通信堆棧使用的memcpy函數中注入了故障，以導致將攻擊者控制的值，加載到MCU的PC寄存器中的故障。這使我們能夠劫持MCU的控制流，以便完全控制ECU。如果攻擊者能夠在ECU上執行任意代碼，則可能會出現多種汽車威脅。例如，如果ECU的代碼未使用安全啟動進行身份驗證，則可以持續修改ECU的功能。

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