CN111596570B - 车辆can总线仿真与攻击系统及方法 - Google Patents

车辆can总线仿真与攻击系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车辆CAN总线仿真与攻击系统及方法。所述系统包括模拟ECU的CAN节点、PC端、OBD‑Ⅱ；所述CAN节点通过CAN_H总线和CAN_L总线两个接口连接到CAN节点的面包板上面，同时通过串口连接到多口USB接口板，多口USB接口板接入PC端，完成CAN节点和PC之间的串口通信；所述OBD‑Ⅱ分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上。本发明的方法主要通过Ardunio模拟车辆ECU，并通过与PC的串口通信和车辆CAN真实数据的导入来模拟车辆CAN总线的运行，同时系统对仿真车辆的CAN总线和ECU实施多种攻击，包括挂起攻击、冒充攻击、伪装攻击等。

Description

车辆CAN总线仿真与攻击系统及方法
技术领域
本发明属于工业物联网安全领域，涉及到一种车辆CAN总线仿真与攻击系统及方法。
背景技术
随着物联网技术与汽车产业的加速融合,现代车辆的智能化和网联化程度不断加深。为了向用户提供更舒适的行车体验，汽车电子控制单元(Electronic Control Unit,ECU)的数目逐年提升，与外界的通信信接口如3G/4G、蓝牙等愈加丰富,车辆不再是一个孤立封闭的机械产品，而是一个具有复杂车载网络的开放系统。车辆的开放性和电子化导致网络安全问题日益突出，黑客一旦通过外部接口进入车载网络即可实施攻击,轻则隐私泄露，重则车毁人亡。控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线作为应用最广泛的车辆总线之一，是黑客重点攻击对象。近年来,攻击者接连通过蓝牙、车载诊断系统(On-Board Diagnostics，OBD)等接口渗入到CAN总线内部实施恶意攻击,严重危害行车安全。
攻击者可通过外部访问接口渗透到车载CAN总线网络，对车载CAN总线网络发送恶意的攻击报文，干预汽车工况。车辆CAN总线仿真与攻击平台，主要通过Arduino模拟车辆ECU，并通过与PC的串口通信和车辆CAN真实数据的导入来模拟车辆CAN总线的运行，同时系统对仿真车辆的CAN总线和ECU实施多种攻击，包括挂起攻击、冒充攻击、伪装攻击等等。该系统通过仿真黑客攻击，从而预防潜在黑客攻击，进一步增强车辆CAN总线的安全性，降低车辆遭受攻击的可能性。
发明内容
本发明的目的在填补现有CAN总线仿真与攻击系统的空白。提供了一种车辆CAN总线仿真与攻击系统及方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种车辆CAN总线仿真与攻击系统，所述系统包括模拟ECU的CAN节点、PC端、OBD-Ⅱ；
所述CAN节点通过CAN_H总线和CAN_L总线两个接口连接到CAN节点上的面包板上面，同时通过串口连接到多口USB接口板，多口USB接口板接入PC端，完成CAN节点和PC之间的串口通信；
所述OBD-Ⅱ分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上。
上述CAN节点采用Arduino Uno 3底板和CAN-BUS Shield扩展板；
所述PC端通过USB串口连接CAN-BUS Shield板子，实现一对一串口数据通信，包括PC向各个ECU发送控制命令，ECU返回各自状态和发送到CAN节点上的数据内容；
所述OBD-Ⅱ通过DB9-OBD2连接线，一端接入CAN节点，一端接入OBD-Ⅱ连接器，同时OBD-Ⅱ连接器16Pin接口的CAN High（J-2234）和CAN Low（J-2234）分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上，同时，Grove 连接线将CAN节点的4Pin Grove连接器连接到ArduinoUno 3底板上。
一种车辆CAN总线仿真与攻击方法，利用上述的系统，包括如下步骤：
（1）、模拟ECU的CAN节点，实现CAN节点和PC之间的串口通信；
（2）、根据所要模拟的ECU及模拟攻击的ECU的数目，选择合适的接口板；
（3）、PC端读入Excel数据，按照CANID发送给每个ECU；
（4）、OBD-Ⅱ接口的配置；
（5）、连接COM串口，进行冒充攻击；
（6）、选择需要挂起的ECU对其进行挂起攻击；
（7）、连接COM串口，进行伪装攻击；
（8）、车辆ECU状态显示。
上述步骤（3）具体包括如下步骤：
外部导入真实CAN数据按钮，点击后选择PC端本地的Excel文件，显示在按钮下面的DataGridView控件中，点击启动按钮，则将数据按照CANID发送给各个ECU。
上述步骤（4）包括如下步骤：
（4-1）、OBD-Ⅱ通过DB9-OBD2连接线，一端接入CAN节点，一端接入OBD-Ⅱ连接器，同时OBD-Ⅱ连接器16Pin接口的CAN High（J-2234）和CAN Low（J-2234）分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上，同时，Grove 连接线将CAN节点的4Pin Grove连接器连接到ArduinoUno 3底板上；
（4-2）、ArduinoUno 3读取CAN总线数据。
（4-3）、存储数据到PC。
上述步骤（5）具体包括如下步骤：
（5-1）、首先连接正常的ECU和攻击者，把2个串口设置成显示窗口，用于控制台CAN信息显示；
（5-2）、设置攻击策略；
进入冒充攻击窗口，然后在攻击者上点击策略设置，选择要冒充的ECU；
（5-3）、正常启动车辆；
首先在车辆服务设置窗口导入真实车辆数据，然后点击启动，等正常启动后在某一个时间段点击冒充，进行冒充攻击；
（5-4）、进行冒充攻击；
在PC端显示冒充攻击后两个ECU信息在总线上的实时输出；
（5-5）、查看车辆ECU状态图。
上述步骤（6）具体包括如下步骤：
（6-1）、连接任意ECU；
（6-2）、进入挂起攻击界面，选择需要挂起的ECU然后点击挂起；
（6-3）、挂起和恢复；
挂起后，原先正常的ECU就不会再发送任何CAN数据；点击恢复，也就是停止挂起攻击后，ECU又恢复正常状态，正常发送数据；
（6-4）、查看车辆ECU状态图，查看车辆各个ECU的变化。
上述步骤（7）具体包括如下步骤：
（7-1）、连接攻击者：
连接COM串口，连接正常的ECU和打算伪装的攻击者；
（7-2）、伪装攻击策略设置：进入伪装攻击策略设置界面，伪装正常的ECU，并间隔若干时间发送CAN数据到总线上；
（7-3）、进行伪装攻击；
车辆ECU正常点击伪装按钮，对ECU实施伪装攻击，正常的ECU被挂起，同时攻击者开始伪装发送CAN数据，选择一定的时间点击停止按钮，伪装结束，这时候被挂起的ECU又恢复了正常状态；
（7-4）、查看车辆ECU状态图。
本发明的有益效果如下：
该系统通过Arduino模拟车辆ECU，并通过与PC的串口通信和车辆CAN真实数据的导入来模拟车辆CAN总线的运行，同时系统对仿真车辆的CAN总线和ECU实施多种攻击，包括挂起攻击、冒充攻击、伪装攻击等等。该系统为预防潜在的黑客攻击提供了较好的检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1是车辆CAN总线仿真与攻击系统总体架构图。
图2是串口设置图。
图3是冒充攻击操作界面。
图4是冒充攻击具体策略设置图。
图5冒充攻击图像。
图6挂起攻击界面。
图7挂起攻击后车辆ECU状态图。
图8伪装攻击窗口。
图9伪装攻击策略设置。
图10伪装攻击实施后的车辆ECU状态图。
图11车辆ECU状态显示主界面。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种车辆CAN总线仿真与攻击系统，所述系统包括模拟ECU的CAN节点、PC端、示波器、OBD-Ⅱ；
所述CAN节点通过CAN_H总线和CAN_L总线两个接口连接到CAN节点上的面包板上面，同时通过串口连接到多口USB接口板，多口USB接口板接入PC端，完成CAN节点和PC之间的串口通信；
所述OBD-Ⅱ分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上。
上述CAN节点采用Arduino Uno 3底板和CAN-BUS Shield扩展板；
所述PC端通过USB串口连接CAN-BUS Shield板子，实现一对一串口数据通信，包括PC向各个ECU发送控制命令，ECU返回各自状态和发送到CAN节点上的数据内容；
所述OBD-Ⅱ通过DB9-OBD2连接线，一端接入CAN节点，一端接入OBD-Ⅱ连接器，同时OBD-Ⅱ连接器16Pin接口的CAN High（J-2234）和CAN Low（J-2234）分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上，同时，Grove 连接线将CAN节点的4Pin Grove连接器连接到ArduinoUno 3底板上。
实施例1：
如图1-11所示，一种基于车辆控制单元指纹特征学习的攻击者识别方法，包括如下步骤：
（1）、模拟ECU的CAN节点，实现CAN总线和PC之间的串口通信；
（1-1）、采用Arduino Uno 3底板和seeed公司或LseeStudio公司生产的CAN-BUSShield扩展板组成的一个模拟ECU的CAN节点；
（1-2）、CAN节点通过CAN_H和CAN_L两个接口连接到面包板上面，同时通过串口连接到多口USB接口板，多口USB接口板接入电脑，这样就完成了CAN总线和PC之间的串口通信。
（2）、根据所要模拟的ECU及模拟攻击的ECU的数目，选择合适的接口板；
（2-1）、PC端通过USB串口连接CANBus Shield板子，实现一对一串口数据通信，包括PC向各个ECU发送控制命令，比如向CAN总线发送真实CAN报文，冒充CAN报文和其他攻击报文，挂起报文等等，ECU返回各自状态和发送到CAN总线上的数据内容。
（2-2）、选择10个CANBus Shield板子作为ECU模拟节点，用一个10个以上的多口USB接口板对接。
（3）、PC端读入Excel数据，按照CANID发送给每个ECU；外部导入真实CAN数据按钮，点击后选择PC端本地的Excel文件，显示在按钮下面的DataGridView控件中。点击启动按钮，则将数据按照CANID发送给各个ECU。
（4）、OBD-Ⅱ接口的配置；
（4-1）、OBD-Ⅱ通过DB9-OBD2连接线，一端接入CAN节点，一端接入OBD-Ⅱ连接器，同时OBD-Ⅱ连接器16Pin接口的CAN High（J-2234）和CAN Low（J-2234）分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上，同时，Grove 连接线将CAN节点的4Pin Grove连接器连接到ArduinoUno 3底板上；
（4-2）、ArduinoUno 3读取CAN总线数据；
（4-3）、存储数据到PC。
（5）、连接COM串口，进行冒充攻击；
（5-1）、首先连接正常的ECU（比如PRND）和攻击者（比如攻击者1），把2个串口设置成显示窗口，用于控制台CAN信息显示；
（5-2）、设置攻击策略。进入冒充攻击窗口，然后在攻击者1上点击策略设置。选择要冒充的ECU，这里因为只有一个正常的PRND，所以暂时冒充PRND，如下图所示，发送的CAN内容是16进制的1111111111111111，一共8个字节，发送间隔为10ms；
（5-3）、正常启动车辆。首先要在车辆服务设置窗口导入真实车辆数据，然后点击启动，等正常启动后在某一个时间段点击冒充，进行冒充攻击，其他攻击也跟该攻击类似，后面不再进行说明。
（5-4）、进行冒充攻击。在控制台我们看到了冒充攻击后两个ECU信息在总线上的实时输出。当然如果间隔时间很小的时候，控制台上显示会有延时，但是真正总线上还是按照真实间隔进行发送；
（5-5）、查看车辆ECU状态图。
（6）、选择需要挂起的ECU对其进行挂起攻击；
（6-1）、连接任意ECU；
（6-2）、进入挂起攻击界面，选择需要挂起的ECU然后点击挂起，如下图所示，我们对PRND进行挂起攻击；
（6-3）、挂起和恢复。挂起后，原先正常的ECU就不会再发送任何CAN数据，但是为了更加直观的表示，我们特意在控制台上显示了带有Suspend字符串的内容。点击恢复，也就是停止挂起攻击后，ECU又恢复正常状态，正常发送数据；
（6-4）、查看车辆ECU状态图。查看车辆各个ECU的变化，因为PRND被挂起，因此图标颜色变成了橙色。
（7）、连接COM串口，进行伪装攻击；
（7-1）、连接攻击者：连接COM串口，连接正常的PRND和打算伪装的攻击者1；
（7-2）、伪装攻击策略设置：进入伪装攻击策略设置界面，这里我们伪装PRND，并间隔1000ms发送16进制的1111111111111111CAN数据到总线上；
（7-3）、进行伪装攻击。车辆ECU正常点击伪装按钮，对PRND实施伪装攻击，这个时候正常的PRND被挂起，同时攻击者1开始伪装发送16进制的111111111111111，也就是控制台显示的左侧三角形符号字符串。选择一定的时间点击停止按钮，伪装结束，这时候被挂起的PRND有恢复了正常状态；
（7-4）、查看车辆ECU状态图。查看车辆各个ECU的变化，因为PRND被伪装，因此图标颜色变成了紫色。
（8）、车辆ECU状态显示。
主界面为一张汽车透视图，用圆点标记出各个ECU的位置，用实线与边缘的ECU名称连接。远点的不同颜色表示ECU不同的状态。具体如下：红色（Red）：ECU未启动（Stop）。绿色（LawnGreen）：ECU正常启动（Normal Start）。天蓝色（Cyan）：冒充（Fabric）。紫色（DarkOrchid）：伪装。橙色（Orange）：挂起（Suspend）。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种车辆CAN总线仿真与攻击系统，其特征在于所述系统包括模拟ECU的CAN节点、PC端、OBD-Ⅱ；
所述CAN节点通过CAN_H总线和CAN_L总线两个接口连接到CAN节点的面包板上面，同时通过串口连接到多口USB接口板，多口USB接口板接入PC端，完成CAN节点和PC之间的串口通信；
所述OBD-Ⅱ分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上；
所述CAN节点采用Arduino Uno 3底板和CAN-BUS Shield扩展板；
所述PC端通过USB串口连接CAN-BUS Shield扩展板，实现一对一串口数据通信，包括PC向各个ECU发送控制命令，ECU返回各自状态和发送到CAN节点上的数据内容；
所述OBD-Ⅱ通过DB9-OBD2连接线，一端接入CAN节点，一端接入OBD-Ⅱ连接器，同时OBD-Ⅱ连接器16Pin接口的CAN High（J-2234）和CAN Low（J-2234）分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上，同时，Grove 连接线将CAN节点的4Pin Grove连接器连接到ArduinoUno 3底板上。
2.一种车辆CAN总线仿真与攻击方法，其特征在于利用权利要求1所述的系统，包括如下步骤：
（1）、模拟ECU的CAN节点，实现CAN节点和PC之间的串口通信；
（2）、根据所要模拟的ECU及模拟攻击的ECU的数目，选择合适的接口板；
（3）、PC端读入Excel数据，按照CANID发送给每个ECU；
（4）、OBD-Ⅱ接口的配置；
（5）、连接COM串口，进行冒充攻击；
（6）、选择需要挂起的ECU对其进行挂起攻击；
（7）、连接COM串口，进行伪装攻击；
（8）、车辆ECU状态显示；
所述步骤（4）具体包括如下步骤：
（4-1）、OBD-Ⅱ通过DB9-OBD2连接线，一端接入CAN节点，一端接入OBD-Ⅱ连接器，同时OBD-Ⅱ连接器16Pin接口的CAN High（J-2234）和CAN Low（J-2234）分别用两根CAN总线连接线接到串行CAN节点的CAN_H和CAN_L上，同时，Grove 连接线将CAN节点的4Pin Grove连接器连接到ArduinoUno 3底板上；
（4-2）、ArduinoUno 3读取CAN总线数据；
（4-3）、存储数据到PC。
3.根据权利要求2所述的一种车辆CAN总线仿真与攻击方法，其特征在于所述步骤（3）具体包括如下步骤：
外部导入真实CAN数据按钮，点击后选择PC端本地的Excel文件，显示在按钮下面的DataGridView控件中，点击启动按钮，则将数据按照CANID发送给各个ECU。
4.根据权利要求2所述的一种车辆CAN总线仿真与攻击方法，其特征在于所述步骤（5）具体包括如下步骤：
（5-1）、首先连接正常的ECU和攻击者，把2个COM串口设置成显示窗口，用于控制台的CAN信息的显示；
（5-2）、设置攻击策略；
进入冒充攻击窗口，然后在攻击者上点击策略设置，选择要冒充的ECU；
（5-3）、正常启动车辆；
首先在车辆服务设置窗口导入真实车辆数据，然后点击启动，等正常启动后在某一个时间段点击冒充，进行冒充攻击；
（5-4）、进行冒充攻击；
在PC端显示冒充攻击后两个ECU信息在总线上的实时输出；
（5-5）、查看车辆ECU状态图。
5.根据权利要求2所述的一种车辆CAN总线仿真与攻击方法，其特征在于所述步骤（6）具体包括如下步骤：
（6-1）、连接任意ECU；
（6-2）、进入挂起攻击界面，选择需要挂起的ECU然后点击挂起；
（6-3）、挂起和恢复；
挂起后，原先正常的ECU就不会再发送任何CAN数据；点击恢复，也就是停止挂起攻击后，ECU又恢复正常状态，正常发送数据；
（6-4）、查看车辆ECU状态图，查看车辆各个ECU的变化。
6.根据权利要求2所述的一种车辆CAN总线仿真与攻击方法，其特征在于所述步骤（7）具体包括如下步骤：
（7-1）、连接攻击者：
连接COM串口，连接正常的ECU和打算伪装的攻击者；
（7-2）、伪装攻击策略设置：进入伪装攻击策略设置界面，伪装正常的ECU，并间隔若干时间发送CAN数据到总线上；
（7-3）、进行伪装攻击；
车辆ECU正常点击伪装按钮，对ECU实施伪装攻击，正常的ECU被挂起，同时攻击者开始伪装发送CAN数据，选择一定的时间点击停止按钮，伪装结束，这时候被挂起的ECU又恢复了正常状态；
（7-4）、查看车辆ECU状态图。
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