DE102018214999A1 - Vorrichtung zur Absicherung von Diagnosebefehlen an ein Steuergerät und entsprechendes Kraftfahrzeug - Google Patents

Vorrichtung zur Absicherung von Diagnosebefehlen an ein Steuergerät und entsprechendes Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (10) zum Überwachen von Diagnosebefehlen (16) an ein Steuergerät (14), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- die Vorrichtung (10) umfasst eine Ausführungsplattform (18) und eine mit der Ausführungsplattform (18) verbundene Sicherungseinrichtung (19) mit einem Befehlsfilter (21) und Zustandsautomaten (22, 23, 24),- die Ausführungsplattform (18) ist eingerichtet, die Diagnosebefehle (16) anhand vorgegebener Skripte (15) zu erzeugen,- der Befehlsfilter (21) ist eingerichtet, gültige Befehle (29) unter den Diagnosebefehlen (16) anhand aus Zuständen (25, 26) der Zustandsautomaten (22, 23, 24) folgender Bedingungen (20) zu selektieren und- die Sicherungseinrichtung (19) ist eingerichtet, die Befehle (29) an das Steuergerät (14) weiterzuleiten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absicherung von Diagnosebefehlen an ein Steuergerät. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Kraftfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Zur Wartung kraftfahrzeugtechnischer Steuergeräte sind vereinheitlichte Diagnosedienste (unified diagnostic services, UDS) gemäß ISO 14229 hinreichend bekannt. Mittels derartiger Dienste ist es zum Beispiel möglich, den Fehlerspeicher einzelner Steuergeräte (electronic control units, ECUs) abzufragen oder diese mit einer neuen Firmware oder Anwendungssoftware zu aktualisieren. Der UDS-Standard definiert hierzu ein Kommunikationsprotokoll auf der Sitzungsschicht (session layer) und Anwendungsschicht (application layer) des OSI-Referenzmodells.
  • DE102016201279A1 offenbart ein Verfahren zum Überwachen einer Aktualisierung eines Fahrzeuges mit folgenden Schritten: Das Fahrzeug wird in einen sicheren Zustand überführt; der sichere Zustand wird verriegelt; ein energetischer Zustand des Fahrzeuges wird abgefragt; abhängig vom energetischen Zustand wird entweder ein Steuergerät des Fahrzeuges aktualisiert oder das Verfahren vorzeitig kontrolliert abgebrochen und der sichere Fahrzeugzustand wird entriegelt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Überwachen von Diagnosebefehlen an ein oder mehrere Steuergeräte sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Der vorgeschlagene Ansatz fußt hierbei auf der Erkenntnis, dass, um flexible Steuerungsabläufe von Diagnose- oder Software-Aktualisierungsbefehlen zu ermöglichen, entsprechende Befehlssequenzen auf Grundlage von interpretierten Skriptsprachen (etwa Python) erzeugt werden können. Zum Einsatz kommen ferner Sprachen, welche für eine virtuelle Maschine kompiliert werden, die ihrerseits einen generischen Bytecode ausführt (etwa Lua oder Java).
  • Derart flexible Steuerungsabläufe werden von potenziell nicht vertrauenswürdigen Skripts verarbeitet, die von einem ebenso wenig vertrauenswürdigen Skript-Interpreter ausgeführt werden, der wiederum auf einer ECU läuft, die möglicherweise nicht für Sicherheitsanwendungen ausgelegt ist. In einem sicherheitsrelevanten System kann ein solches Setup Gefahren durch unbeabsichtigte Eingriffe in sicherheitsrelevante Steuergeräte aufgrund fehlerhafter Steuerungsabläufe verursachen, wenn es keine Mechanismen gibt, um dieses Risiko zu mindern.
  • Skriptbasierte Programmierung bietet somit einerseits hohe Flexibilität und stellt eine dynamische Technik für zukünftige Anwendungen dar. Auf der anderen Seite erfordern die meisten Sicherheitsstandards eine statische Programmierung mit klar definierten Zuständen. Dieses Problem verschärft sich mit der Einführung von Firmware- und Software-Updates über die Luftschnittstelle (over the air, OTA), bei welchen - im Gegensatz zur Aktualisierung in der Werkstatt - jederzeit und überall unbeabsichtigte Aktionen ohne definierte Zustände und Überwachung durchgeführt werden können.
  • Um die Verwendung von etablierten Diagnoseprotokollen und eine skriptbasierte Verarbeitung in sicherheitsrelevanten Systemen zu ermöglichen, wird daher eine Systemarchitektur vorgeschlagen, um die Ausführung der Diagnosebefehlsfolgeerzeugung, die Überwachung der Befehle und die empfangende sicherheitsrelevante ECU zu trennen. Zusätzlich wird eine Methode zur Überwachung der Diagnosebefehle eingeführt, um sicherheitsrelevante eingebettete Ziel-ECUs vor unbeabsichtigten Eingriffen zu schützen. Der Begriff „Diagnosebefehle“ wird hierbei in einem weiten Sinne für beliebige Befehlsfolgen verwendet, um eingebettete Ziel-ECUs zum Zwecke der Diagnose, Softwareaktualisierung oder im Rahmen anderer Anwendungen zu steuern.
  • Sowohl die Softwarearchitektur als auch die Methode der Überwachung der Diagnosebefehle erlaubt die Verwendung von etablierten Diagnosekommunikationsprotokollen wie UDS für sicherheitsrelevante Anwendungen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann ein Befehlsfilter vorgesehen sein, um gültige Befehle unter den Diagnosebefehlen anhand vorgegebener Bedingungen zu selektieren. Diese Bedingungen können angepasst werden, um die Anforderungen unterschiedlichster Sicherheitsstandards zu erfüllen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 die Systemarchitektur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 schematisch eine Sicherungseinrichtungskomponente dieser Ausführungsform.
    • 3 den beispielhaften Ablauf einer Sicherung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die in 1 dargestellte Systemarchitektur der vorgeschlagenen Vorrichtung (10) ist in drei Teile gegliedert. Erkennbar ist zunächst ein dynamischer Bereich (12), dessen flexible Ausführungsplattform (18) zur skriptbasierten Generierung von Diagnosebefehlen (16), Software-Updates oder zukünftige Anwendungen dient und diese an das Ziel-Steuergerät (14) weiterleitet. Der dynamische Bereich (12) erfüllt hierbei nicht notwendigerweise die Anforderungen einer bestimmten Sicherheitsanforderungsstufe (safety integrity level, SIL), wie sie etwa für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen definiert ist. Die Skripte (15) werden somit nicht unbedingt nach Sicherheitsnormen entwickelt.
  • Der dynamische Bereich (12) kann die Skripte (15) - z. B. im Falle von OTA-Anwendungen wie Ferndiagnose, Firmware- oder Software-Updates - aus einer anderen Domäne z.B. über eine drahtlose Verbindung von einer Backend-Infrastruktur beziehen, die nachfolgend als Konnektivitätsbereich (11) bezeichnet wird. Dieser Konnektivitätsbereich (11) kann - muss aber nicht zwingend - auf einer separaten ECU ohne Sicherheitsanforderungen vorgesehen sein. Im dynamischen Bereich (12) werden die Skripte (15) verarbeitet und in Sequenzen von Diagnosebefehlen (16) übersetzt.
  • Vorgesehen ist ferner ein abgesicherter Bereich (13) auf einer Sicherheitsanforderungsstufe, die der Sicherheitsrelevanz einer unbeabsichtigten Aktivierung des eingebetteten Ziel-Steuergerätes (14) durch die externen Diagnosebefehle (16) Rechnung trägt. Dieser abgesicherte Bereich (13) kann jeder ECU mit einer entsprechenden Sicherheitsintegrität zugeordnet werden. Der abgesicherte Bereich (13) umfasst insbesondere eine - gleichsam als Brandmauer fungierende - Sicherungseinrichtung (19), welche die Diagnosebefehle (16) aus dem dynamischen Bereich (12) überwacht und lediglich selektiv ans Ziel-Steuergerät (14) weitergibt, um einen unbeabsichtigten Eingriff in dessen Funktion zu verhindern.
  • Antworten (30) des Ziel-Steuergerätes (14) werden im Normalfall an den dynamischen Bereich (12) zurückgegeben und vom abgesicherten Bereich (13) überwacht. Im Fall von Fehlerrückmeldungen, können diese von der Sicherheitseinrichtung (19) zum Blockieren von Diagnosebefehlen (16) ausgewertet werden.
  • Informationen (17) von der Sicherheitseinrichtung (19) an den dynamischen Bereich (12) oder den Konnektivitätsbereich (11) können zum Beispiel Informationen zu blockierten Befehlen (29) oder Betriebszustände der Sicherheitseinrichtung (19) sein.
  • Wie 2 verdeutlich, leitet diese „Firewall“-Komponente nur gemäß definierten Bedingungen (20) gültige Befehle (29) an das eingebettete Ziel-Steuergerät (14) weiter. Diese Bedingungen (20) können das Ergebnis einer oder mehrerer endlicher Zustandsautomaten (finite state machines, FSMs 22, 23, 24) auf verschiedenen Ebenen innerhalb der Vorrichtung (10) sein. In Betracht kommen insbesondere Anwendungszustände (25) - z. B. für Ferndiagnose oder Update - oder Gesamt-Vorrichtungszustände (26). Diese Zustände (25, 26) können - müssen aber nicht zwingend - voneinander abhängen, etwa im Wege eines Informationsaustausches (27) oder durch eine wechselseitige Sperrbeziehung (28). Es mögen auch Schnittstellen zur externen Vorgabe von Bedingungen (20) oder Abhängigkeiten der Bedingungen (20) von Antworten (30) der Ziel-Steuergeräte (14) vorgesehen sein.
  • Mit diesen Bedingungen (20) können bereits im Zuge der Entwicklung abgesicherte Betriebszustände der Vorrichtung (10) definiert werden. Abhängig von den Bedingungen (20) gibt es vorzugsweise eine Positivliste von gültigen Befehlen (29), die den Befehlsfilter (21) passieren dürfen, während ungültige Befehle unterdrückt werden. Das Filtern und Blockieren kann gemäß verschiedenen Konfigurationsvorgaben der Sicherungseinrichtung (19) erfolgen. Zu denken ist etwa an
    1. 1. ein Blockieren jeglicher Diagnosebefehle (16),
    2. 2. ein Blockieren derjenigen Diagnosebefehle (16), die von bestimmten ECUs stammen oder an ein bestimmtes Steuergerät (14) adressiert sind,
    3. 3. ein Überprüfen und Filtern auf der Ebene einzelner Diagnosebefehle (16), um bestimmte gültige Befehle (29) in bestimmten Zuständen (25, 26) zuzulassen und unter anderem Sicherheitszugriffe, Rücksetz- (reset) oder andere unerlaubte Diagnosebefehle (16) zu unterdrücken,
    4. 4. ein Überprüfen von Diagnosebefehlen (16) und deren Parametern, um gültige Befehle (29) anhand bestimmter Parameter zu identifizieren und anderweitige Zugriffe - z. B. das Schreiben auf bestimmte Speicheradressen des Steuergerätes (14) - zu verhindern,
    5. 5. ein Blockieren von Diagnosebefehlen (16), deren Auftreten eine vorgegebene Häufigkeit überschreitet, um den fachsprachlich mit „blubbering idiot“ umschriebenen Ausfallmodus zu vermeiden. Genauso können Diagnosebefehle (16) blockiert werden, die Verfälschungen, Verzögerungen oder unbeabsichtigte Wiederholungen aufweisen, die über einer bestimmten Grenze liegen oder
    6. 6. ein Blockieren von Diagnosebefehlen (16) an das Steuergerät (14), wenn dieses mit bestimmten Fehlercodes (30) antwortet.
  • Eine Ausführungsform der Sicherheitseinrichtung (19) mit Befehlsfilter (21) enthält unter anderem die in 3 veranschaulichten Aktivitäten. In konkreten Ausführungsformen müssen nicht immer alle Aktivitäten die ausführenden Komponenten in der tatsächlichen Ausführung unterscheiden:
    • 1. Die Aktualisierung von Firmware, Anwendungssoftware oder anderer Dienste mittels Diagnosebefehlen darf nur ausgeführt werden, wenn sich die Gesamtvorrichtung (z. B. das Fahrzeug) in einem sicheren Zustand befindet. Ein solcher Zustand wäre im Falle eines Fahrzeuges etwa der Stillstand mit angezogenen Bremsen. Dieser Zustand darf bis zum erfolgreichen Abschluss des Dienstes, z. B. der überprüften Aktualisierung der Firmware oder Anwendungssoftware, nicht verlassen werden. Dazu wird von dem Dienst aus dem dynamischen Bereich eine Zustandssperre angefordert (41). Es sind auch andere Bauformen möglich, bei denen die Anforderung der Zustandssperre (41) beispielsweise im abgesicherten Bereich (13) gestellt wird. Die Anforderung der Zustandssperre (41) wird, basierend auf Informationen (31) über den Gerätezustand im abgesicherten Bereich (13), über Regeln (40) auf Zulässigkeit geprüft. Sind die Regeln (40) erfüllt, wird die Zustandssperre verhängt. Die Zustandssperre (42) selbst ist durch weitere, abgesicherte Maßnahmen in der Gesamtvorrichtung zu realisieren, z. B. durch die Verhinderung eines Motorstarts oder die Betätigung einer Feststellbremse.
    • 2. Nach Anforderung der Zustandssperre (41) sendet die Ausführungsplattform (18) im dynamischen Bereich (12) eine Abfolge von Diagnosebefehlen (16).
    • 3. Die Diagnosebefehle (16) werden im abgesicherten Bereich gescannt und im Befehlsfilter (21) anhand der Bedingungen (20) auf Zulässigkeit geprüft. Die Bedingungen (20) können wiederum von Informationen beispielsweise über den Anwendungszustand (25), den Gesamt-Vorrichtungszustand (26), den Status der Zustandssperre (40, 84), Fahrerbestätigungen oder Sensor- und anderweitigen Informationen abhängen.
    • 4. Als zulässig bewertete Diagnosebefehle können in einem Sequenz-Filter bezüglich einer gültigen Reihenfolge oder Frequenz geprüft werden (60). Sind die Regeln (60) für die Diagnosebefehl-Sequenz erfüllt (61), wird der gültige Diagnosebefehl (29) an das Steuergerät (14) weitergeleitet. Es sind auch Bauformen ohne diesen Sequenz-Filter möglich.
    • 5. Diagnosebefehle (16), die im Befehlsfilter (21, 50) oder Sequenz-Filter (60, 61) als unzulässig erkannt wurden, werden blockiert und nicht an das Steuergerät (14) weitergeleitet. Über eine Fehlerbehandlung (90) werden Informationen (17) zu den blockierten Befehlen bereitgestellt, dies können z. B. Negative Response Codes (NRC) sein.
    • 6. Anschließend wird vom Steuergerät (14) der Flash-Zustand abgefragt (30) und ausgewertet (70). Sind noch nicht alle Software-Blöcke aktualisiert, wird der Dienst fortgesetzt. Sind alle Software-Blöcke aktualisiert, erfolgt eine Verifizierung (80, 83) der aktualisierten Software. Die Verifizierung wird z.B. aus dem dynamischen Bereich angefordert (82). Eine solche Verifizierung kann z. B. die Überprüfung der aktualisierten Software-Version, einschlägiger Fehlerspeichereinträge oder Abhängigkeiten von den Software-Versionen anderer Steuergeräte einschließen. Die Verifizierung der aktualisierten Software-Version erfolgt z. B. anhand von Meta-Informationen (81), die z.B. die Soll-Version der Software des Steuergerätes (14) nach erfolgreicher Aktualisierung oder die Abhängigkeit von anderen Steuergeräten beschreiben. Damit ist es möglich, eine Überprüfung auf Konsistenz und Vollständigkeit durchzuführen, beispielsweise dadurch, ob alle erforderlichen Steuergeräte (14) für einen Dienst aktualisiert wurden (71). Die Meta-Informationen kommen dabei z. B. unverändert aus dem Konnektivitätsbereich (11) oder dynamischen Bereich (12). Es sind Maßnahmen auf der Ebene der Gesamt-Vorrichtung zu treffen, die eine Manipulation dieser Meta-Daten über die Luftschnittstelle bis in den abgesicherten Bereich verhindern.
    • 7. Nach erfolgreicher Verifizierung (80, 83) der aktualisierten Software, wobei diese alle von dem Dienst betroffenen Steuergeräte (14) betreffen kann, wird die eingangs erteilte Zustandssperre wieder aufgehoben (84, 85). Damit ist der Dienst erfolgreich abgeschlossen. Welche Steuergeräte (14) in die Verifizierung einzubeziehen sind, wird durch besagte Meta-Informationen (81) festgelegt. Ist die Verifizierung der ECUs (14) nicht erfolgreich (83), wird das Ergebnis der Verifizierung einer Fehlerbehandlung (90) zugeführt, in deren Rahmen entsprechende Informationen (17) ausgegeben werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016201279 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Vorrichtung (10) zum Überwachen von Diagnosebefehlen (16) an ein Steuergerät (14), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Vorrichtung (10) umfasst eine Ausführungsplattform (18) und eine mit der Ausführungsplattform (18) verbundene Sicherungseinrichtung (19) mit einem Befehlsfilter (21) und Zustandsautomaten (22, 23, 24), - die Ausführungsplattform (18) ist eingerichtet, die Diagnosebefehle (16) anhand vorgegebener Skripte (15) zu erzeugen, - der Befehlsfilter (21) ist eingerichtet, gültige Befehle (29) unter den Diagnosebefehlen (16) anhand aus Zuständen (25, 26) der Zustandsautomaten (22, 23, 24) folgender Bedingungen (20) zu selektieren und - die Sicherungseinrichtung (19) ist eingerichtet, die Befehle (29) an das Steuergerät (14) weiterzuleiten oder zu blockieren.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Vorrichtung (10) weist einen dynamischen Bereich (12) und einen abgesicherten Bereich (13) auf, - der dynamische Bereich (12) umfasst die Ausführungsplattform (18) und - der abgesicherte Bereich (13) umfasst die Sicherungseinrichtung (19).
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Vorrichtung (10) weist ferner einen Konnektivitätsbereich (11) auf und - die Ausführungsplattform (18) ist ferner eingerichtet, die Skripte (15) aus dem Konnektivitätsbereich (11) entgegenzunehmen.
  4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Ausführungsplattform (18) ist ferner eingerichtet, Informationen (17) aus dem abgesicherten Bereich (13) in den dynamischen Bereich (12) oder Konnektivitätsbereich (11) zurückzuliefern.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Selektieren der gültigen Befehle (29) erfolgt ferner anhand bestimmter Antworten (30) des Zielsteuergerätes (14).
  6. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - um eine Software des Steuergerätes (14) zu aktualisieren, wird anhand vorgegebener Regeln (40) auf Anforderung (41) eine Zustandssperre (42) verhängt und - nach einer erfolgreichen Verifizierung (83) der aktualisierten Software wird die Zustandssperre (42) aufgehoben (84, 85).
  7. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Sicherungseinrichtung (19) umfasst ferner einen Sequenzfilter und - der Sequenzfilter ist eingerichtet, die gültigen Befehle anhand weiterer Regeln (60) auf eine zulässige Reihenfolge oder Frequenz zu prüfen (61).
  8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - die Zustände (25, 26) umfassen Anwendungszustände (25) oder - die Zustände (25, 26) umfassen Vorrichtungszustände (26).
  9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - die Zustandsautomaten (22, 23, 24) stehen in einem wechselseitigen Informationsaustausch (27) oder - die Zustände (25, 26) stehen in einer wechselseitigen Sperrbeziehung (28).
  10. Kraftfahrzeug mit einem Steuergerät (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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