EP4282151A1 - Verfahren zur verschlüsselung von sicherheitsrelevanten daten im fahrzeug - Google Patents

Verfahren zur verschlüsselung von sicherheitsrelevanten daten im fahrzeug

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Publication number
EP4282151A1
EP4282151A1 EP22702147.4A EP22702147A EP4282151A1 EP 4282151 A1 EP4282151 A1 EP 4282151A1 EP 22702147 A EP22702147 A EP 22702147A EP 4282151 A1 EP4282151 A1 EP 4282151A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
runtime
vehicle
communication participant
communication
ecu
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22702147.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helge ZINNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of EP4282151A1 publication Critical patent/EP4282151A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F21/00—Security arrangements for protecting computers, components thereof, programs or data against unauthorised activity
    • G06F21/60—Protecting data
    • G06F21/602—Providing cryptographic facilities or services
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00—Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/08—Access security
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L63/00—Network architectures or network communication protocols for network security
    • H04L63/10—Network architectures or network communication protocols for network security for controlling access to devices or network resources
    • H04L63/107—Network architectures or network communication protocols for network security for controlling access to devices or network resources wherein the security policies are location-dependent, e.g. entities privileges depend on current location or allowing specific operations only from locally connected terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/01—Protocols
    • H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
    • H04L67/125—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks involving control of end-device applications over a network
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
    • H04L67/14—Session management
    • H04L67/141—Setup of application sessions
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/40—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for vehicles, e.g. vehicle-to-pedestrians [V2P]

Definitions

  • Ethernet and radio technologies are only just finding their way into automobiles and, thanks to their open and standardized protocols, offer the possibility of attacking the car from the outside for the first time.
  • firewalls or security in general
  • the challenge of firewalls is to implement them efficiently in the vehicle's control units.
  • the controllers which will still be relatively weak in terms of computing, and the increasing demands for energy savings mean that well-known IT concepts cannot be easily adapted.
  • the quality of the safety concept in the vehicle is therefore always at odds with the available computing power.
  • Some of the car manufacturers are already demanding separate ones Controllers that implement the firewall functionality. On the one hand for security reasons and on the other hand for performance reasons.
  • servers or central computers no longer consist of just one pc or pP, but contain several pC, pP, SOC and also Ethernet switches with a large number of ports - they represent their own local network, each with individual software (the also means that the respective software components do not (cannot) know that they are communicating, for example, with components that are located in the same housing).
  • Zone architectures with central servers are known. Here it applies that on the one hand the server contains many powerful processors and on the other hand a lot of software resp. Applications run on it. The communication effort within the control unit is enormous (this represents a separate local network). All of the vehicle's software will be executed here in the future and each controller has its own software stack which is made available by various providers.
  • NFC Near Field Communication
  • US 2019045475 A1 discloses approaches to managing internal time synchronization.
  • An Internet of Things (loT) device is described configured to determine a transport delay value as a function of a transmission path delay corresponding to a first message sent from an I/O device of the loT device to a central timer of the loT device and a receive path delay corresponding to a second message sent from the central timer to the I/O device.
  • the IoT device is configured, in response to receiving a broadcast message from the central clock after determining the transport delay value, to update a timestamp value of the received broadcast message as a function of the transport delay value.
  • IP/MAC addresses are used for addressing.
  • a sender never knows exactly where this unit is located and, on the other hand, whether the receiver is actually an attacker or not.
  • the IP or MAC address does not provide any information about this.
  • An IP address can also be easily changed and forged - this can be easily manipulated.
  • This problem is addressed by very expensive Ethernet extensions such as MAC-Sec, which allow authentication.
  • MAC-Sec which allow authentication.
  • these components are not yet available today and, on the other hand, are much more expensive than the already expensive Ethernet components.
  • the manufacturers offer proprietary solutions for which we have to pay additional license costs and which are not compatible with other semiconductor solutions.
  • the powerful ECU internalizes several controllers as well as several switches in one "box". These follow the trend towards a general reduction in the number of control units in a vehicle. It is precisely for these control units that security solutions have to be offered, then a very large ECU and thus many functions can be wiped out in the event of an attack, compared to a normal ECU today.
  • Today's vehicle networks are configured statically, i.e. the data communication (transmitter, receiver and data relationship) is fixed at the latest when the vehicle is programmed at the end of the production line.
  • the coming architectures and the desire for service-oriented communication contradict today's approach and call for new concepts.
  • external ECU cloud, unprotected ECU, etc.).
  • it must dynamically adapt to the recipient's own requirements and change the data transmission mechanisms, i.e. modified architecture and dynamic data transmission.
  • the object of the invention is to specify more economical solutions for ensuring security in a vehicle, in particular for securing communication in the vehicle for automated driving through more and more connections.
  • An advantageous embodiment of the method for encrypting security-relevant data in the vehicle is characterized in that an identification of an address of the respective communication participant 210 in an Ethernet network via the IP addresses, a measurement of the transit time to this communication partner 220, determination of the distance and/or the Position to this controller and / or application 230 takes place, with the presence of the determination of the distance below the threshold value 240, the application (pC, pP, SOC) is classified as trustworthy.
  • a further advantageous embodiment of the method is characterized in that a different protocol is used for verification.
  • a particularly advantageous embodiment of the method is characterized in that after measuring the transit time to this communication partner (220) and after determining the distance and/or the position to this controller and/or application (230), the measurement of the transit time is checked in takes place in such a way that if there is a runtime that is less than the runtime within the ECU, the communication participant is on the same circuit board, if there is a runtime that is less than the runtime within the vehicle, the communication participant is within the vehicle, if there is a runtime less than the transit time within the internal router, the communication participant is directly connected to the vehicle, if there is a longer transit time than that in points a), b) or c), the communication participant is outside the vehicle.
  • a further refinement of the method is characterized in that after the analysis of the runtime, a check is carried out to determine whether the runtime is greater than twice the PHY latency, with the communication subscriber moving outside the ECU if the runtime is greater than twice the PHY latency is located, and in the presence of a shorter runtime than twice the PHY latency of the communication participant is not directly connected.
  • Another particularly advantageous embodiment of the method is characterized in that when the communication participant is outside the ECU, a request to establish a secure connection is made from one communication participant to the other communication participant, with the security mechanism for establishing a secure connection depending on the determined distance he follows.
  • the invention advantageously increases safety in the vehicle electrical system and driver assistance systems are protected.
  • Time synchronization is an elementary component of any Ethernet-based communication and also between bus systems (CAN/Ethernet) and serves as the trigger here.
  • the invention achieves a reduction and recognition of attacks and attack potentials, since hacker attacks on IP-based vehicle networks are to be expected with increasing frequency. This increases security in the Ethernet area.
  • the invention proposes orienting oneself to the basic idea of NFC, in which the physical distance between participants is sufficient for a trustworthy connection.
  • the control units in the car cannot physically approach each other, the EM proposes a completely new proposal. Since we always want to offer software in a simpler, more generalized and cross-platform way, something like this cannot be encoded statically, but must be learned in the service-oriented environment.
  • the invention proposes a method that recognizes the precise location of a communication partner in the vehicle (PCB, other ECU, connected to the vehicle or somewhere on the Internet). With the help of its address, a measurement method is used to calculate whether the partner is very close by (i.e. on the same circuit board PCB) or somewhere in the on-board network and can therefore possibly be an attacker. An IP/Ethernet address can easily be spoofed, but the signal propagation delay is very difficult.
  • the invention solves the problem described above by measuring whether a participant is within its own ECU - i.e. on the circuit board - (i.e. another PC) or whether the participant is, for example, on the Internet or somewhere in the on-board network and possibly is an intermediary entity. It is more difficult per se to replace a chip on a circuit board within an ECU, there are plenty of other methods for this than hanging somewhere in between in the on-board network. Ethernet and IP in particular have made it much easier.
  • the effect provided by the method namely protection against unauthorized attack, falsification of communication and against the exchange of devices, can also be achieved in other ways and with an even higher level of security, for example by using hardware encryption (or authentication) serve.
  • the process makes it possible to offer protective mechanisms more cheaply and also reduces system costs.
  • the process can even be imported later via OTA and gives us the opportunity to sell security software.
  • This method can be implemented in particular in the form of software that can be distributed as an update or upgrade to existing software or firmware by participants in the network and in this respect represents an independent product.
  • the quality of the execution of software-based applications e.g. automated driving
  • the network system according to the invention is improved in terms of cost and reliability.
  • Continental can use software-based processes to get the best out of its ECU or the network and offer the customer more functionality.
  • the security of a vehicle network can be increased significantly and very simply by the invention, in particular without additional financial outlay.
  • Proprietary solutions can be circumvented with this.
  • With the use of the newly introduced Ethernet protocol in automobiles mechanisms are necessary that make use of simple techniques and given properties of technologies in order to be able to do without expensive implementations and other additional hardware.
  • Early detection of attacks and misconduct using early analysis of the communication paths allows gaps and errors to be identified before the vehicle is delivered.
  • the network system according to the invention is improved in terms of cost and reliability.
  • the testability of the system is defined more clearly by the invention and test costs can be saved as a result.
  • the invention offers transparent security functionality.
  • the invention allows the software developers and -to offer architects a software/application that can be tailored more flexibly and precisely to the requirements of the application. By installing the above processes in our software, an optimization can take place at the customer (OEM) (or within our control unit). This means that our software can become more platform and customer independent.
  • Protocols like IP, AVB, and TSN have thousands of pages of specifications and test suites. The manageability of these new protocols in the automobile is not trivial.
  • the use of the invention can be used in other communication systems with clock synchronization components and embedded systems.
  • Figure 8 depicts PHY to PHY versus MAC to MAC communication
  • Fig. 9 Determining the position of another ECU/SW/address.
  • the invention disclosure proposes methods to determine the trustworthiness of a communication partner (or its application). If this trustworthiness is determined, the exchange of sensitive data can be carried out - in the other case, another solution is proposed (but is not a priority of the procedure).
  • FIG. 1 shows a section of an overall system architecture in which an ECU (server) is connected to additional sensors and ECUs and components outside the vehicle.
  • the controllers on the server are typically connected to the PCB (board) via MH (Media Independent Interface) or PCI-Express and thus always manage without transceivers (PHYs).
  • MH Media Independent Interface
  • PCI-Express PCI-Express
  • An Ethernet transceiver causes a delay in the 3-digit nanosecond range. That doesn't sound like much, but the delay on layer 2 (MAC) is in the 1-digit nanosecond range or tends towards 0 - depending on how high the resolution of the measurement is.
  • the procedure first determines the address of the application with which data is to be exchanged (received, sent, or both). The method then starts a runtime measurement for this component.
  • the PDelay_Request procedure of the gPTP protocol (or 802.1 AS) can be used.
  • two replies are sent back and the runtime of the message can be determined with the help of hardware time stamps (it is important to use a protocol with hardware time stamps - NTP, for example, is out of the question because the resolution is too imprecise).
  • the method calculates the physical distance to this participant.
  • the distance is not directly expressed by a unit of measurement such as meters or centimeters, but can be converted to the number of components (PHYs, switches) that are part of the connection, since this delay is decisive in contrast to the delay on the actual cable .
  • the method measures the transit time to a participant/address by starting transit time measurements (e.g. part of the PTP protocol) and calculating the distance to this participant from this.
  • the measured running time must first be evaluated in order to provide information about the location.
  • the software cannot know whether a partner is located within the same ECU or not, and ideally it should not know if a generalized SW and not a special version is used; IP addresses can also be falsified or changed.
  • a PHY converts the data into electrical signals and encodes them, which takes much more time than when two Ethernet MACs communicate with each other via the MH-based lines.
  • the method presented recognizes whether a subscriber is directly connected to the requesting subscriber. If this is not the case, the appropriate protocol can be selected depending on the latency. For latencies that apply within the vehicle, MAC-Sec, IP-Sec and other IP/TCP-based methods could be used, for example, if the latency is so high and the participant is undoubtedly outside the vehicle.

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Abstract

Verfahren zur Verschlüsselung von sicherheitsrelevanten Daten im Fahrzeug, wobei wenn sich der Kommunikationsteilnehmer sich dieser außerhalb der ECU befindet eine Anfrage zum Aufbau einer sicheren Verbindung von einem Kommunikationsteilnehmer zum anderen Kommunikationsteilnehmer erfolgt, wobei der Sicherheitsmechanismus zum Aufbau einer sicheren Verbindung abhängig der ermittelten Entfernung erfolgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Verschlüsselung von sicherheitsrelevanten Daten im Fahrzeug
STAND DER TECHNIK
Auf Basis der physikalischen Schicht Ethernet und dem darüber liegenden Internet-Protokoll, finden erstmals Techniken Einzug ins Bordnetz die gerade außerhalb des Fahrzeuges seit Jahrzehnten stark verbreitet sind. Hierbei bietet sich auch ein potentiell höheres Angriffsrisiko welches mit den Bordnetzen wie CAN und FlexRay heute nicht bestand, da das Know-How für diese für dem „normalen Hacker“ schlicht fehlt. Gerade im Hinblick auf einen immer stärker werdenden Einsatz der Protokolle Ethernet und IP, auch durch den Einsatz von 5G, werden Sicherheitsmechanismen immer wichtiger, denn das Auto wurde bereits als neuer Angriffspunkt identifiziert. Genau deswegen sind ständig neue und erweiterte Sicherheitsmechanismen und Funktionen notwendig die das Auto sicherer vor Angriffen machen.
Ethernet und Funktechnologien erfahren zurzeit erst Einzug in das Automobil und bergen durch ihre offenen und standardisierten Protokolle erstmals die Möglichkeit das Auto auch von außen anzugreifen. Vermehrt sind in der Presse Meldungen über Angriffe auf Fahrzeuge zu lesen, bei denen es Angreifer über Funk geschafft haben Zugriff auf das Fahrzeug zu gelangen und somit auch auf wichtige Fahrzeugfunktionen zugreifen konnten.
Die Herausforderung der Firewalls (bzw. von Security im Allgemeinen) ist dabei, diese performant in den Steuergeräten des Fahrzeuges umzusetzen. Die auch in Zukunft immer noch relativ rechenschwachen Controller und die steigenden Anforderungen nach Energieersparnis führen dazu, dass bekannte Konzepte aus der IT nicht so einfach adaptiert werden können. Die Güte Sicherheitskonzept im Fahrzeug steht daher auch immer im Wiederspruch zur verfügbaren Rechenleistung. Die Autohersteller fordern schon heute zum Teil separate Controller, die die Firewall-Funktionalität umsetzen. Zum einen aus Sicherheitsgründen und zum anderen aus Performancegründen.
Continental, als auch die ganze Industrie arbeitet an neuen Server-basierten Architekturen wie beispielhaft in der folgenden Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden, dargestellt.
Die grundlegende Revolution der neuen Architekturen ist durch die Zentrierung der Software auf immer weniger Recheneinheiten geprägt. Diese sog. Server oder Zentralrechner bestehen nicht mehr nur aus nur einem pC oder pP sondern beinhalten mehrere pC,pP, SOC und auch Ethernet-Switches mit mit einer großen Anazhl an Ports - sie stellen ein eigenes lokales Netzwerk mit jeweils individueller Software dar (das bedeutet auch, dass die jeweiligen Softwarekomponenten nicht wissen (können) das Sie bspw. mit Komponenenten kommunizieren welche im gleichen Gehäuse verortet sind).
Bekannt sind Zonenarchitektur mit zentralen Servern. Hier gilt, dass zum einen der Server viele und leistungsstarke Prozessoren beinhaltet und zum anderen sehr viel Software resp. Anwendungen darauf ausgeführt werden. Der Kommunikationsaufwand innerhalb des Steuergeräts ist enorm (dies stellt ein eigenes lokales Netzwerk dar). Die gesamte Software des Fahrzeuges wird hier in Zukunft ausgeführt und jeder Controller hat seinen eigenen Software-Stack welcher von verschiedenen Anbietern zur Verfügung gestellt wird.
Bekannt sind Konzepte um Funktionen und Anwendungen auf andere Steuergeräte/Prozessoren (dynamisch) auszulagern also auch um diese zu optimieren. Dies wird als Live-Migration, Reallokation oder Migration bezeichnet. Der Serieneinsatz für die Auslagerung von Software auf andere ECUs/Prozessoren (innerhalb des PKW) wird bereits 2021 bei OEMs erwartet.
Durch die neuen Architekturen (bspw. VW, Porsche, Audi) gibt es nun erstmal Möglichkeiten Software auch auf verschiedenen ECUs zu implementieren da die Hardware generalisierter wird und die Software plattformunabhängiger. (Natürlich ist dies nicht mit allen Funktionen und ECUs möglich). Es steht also zur Designzeit des Systems nicht immer fest auf welchem Steuergerät (Server) welche Software laufen wird. Die Verschiebung der Software beschränkt sich dabei aber nicht auf ECU-zu-ECU Operationen, sondern bezieht sich noch mehr auf Controller-zu-Controller Operationen innerhalb derselben ECU.
NFC (Near Field Communication) gilt erstmal per se als sicher, weil sich Geräte nur in einem räumlich sehr kleinen Feld austauschen können. Der maximale Abstand zwischen zwei Stationen wie bspw. Handy oder Karte mit dem Terminal beträgt normalerweise nur wenige Zentimeter. Bei größeren Entfernungen ist ein Datenfluss nicht mehr möglich. So gesehen ist es schwer vorstellbar, dass jemand Ihre Daten abfängt.
US 2019045475 A1 offenbart Ansätze zum Verwalten der internen Zeitsynchronisation. Es wird ein Internet-of-Things-Gerät (loT) beschrieben, das konfiguriert ist, um einen Transportverzögerungswert als Funktion einer Übertragungspfadverzögerung zu bestimmen, die einer ersten Nachricht entspricht, die von einem E / A-Gerät des loT-Geräts an einen zentralen Zeitgeber des loT-Geräts gesendet wird und eine Empfangspfadverzögerung, die einer zweiten Nachricht entspricht, die vom zentralen Zeitgeber an das E / A-Gerät gesendet wird. Das loT-Gerät ist so konfiguriert, dass es als Reaktion auf das Empfangen einer Rundfunknachricht vom zentralen Zeitgeber nach dem Bestimmen des Transportverzögerungswerts einen Zeitstempelwert der empfangenen Rundfunknachricht als Funktion des Transportverzögerungswerts aktualisiert.
BESCHREIBUNG UND VORTEILE DER ERFINDUNG
Wenn mittels Ethernet IP-Daten zwischen verschiedenen Teilnehmern ausgetauscht werden, so werden IP/MAC-Adressen zur Adressierung verwendet. Ein Sender weiß zum einen nie wo sich diese Einheit genau befindet und zum anderen ob der Empfänger gar ein Angreifer ist oder nicht. Die IP- oder MAC-Adresse gibt darüber keinen Aufschluss. Eine IP-Adresse kann zudem leicht verändert und gefälscht werden - dies lässt sich einfach manipulieren. Dieses Problem adressiert sehr teure Erweiterungen des Ethernets wie bspw. MAC-Sec, was eine Authentifizierung erlaubt. Diese Bausteine sind aber heute noch nicht verfügbar und zum anderen sehr viel teurer als die bereits teuren Ethernet-Bausteine. Weiterhin bieten die Hersteller proprietäre Lösungen an für die wir zusätzlich Lizenzkosten zahlen müssen und die nicht kompatibel zu anderen Halbleiterlösungen sind.
Aktuell gibt es noch nicht genügend Sicherheitsmechanismen um Ethernet ausreichend für Automotive abzusichern. Auch der kürzliche Kauf der Firma Argus CyberSecurity wird nicht das Allheilmittel für Sicherheitslösungen sein denn die derzeitigen Sicherheitslösungen beschränken sich zu 100% auf die Software und sind durch Firewalls umgesetzt. Diese verbrauchen zum einen immer hohe Ressourcen und zum anderen ist der Angreifer dann schon immer im System.
Wie das Problem von Intel erst deutlich gemacht hat können auch Fehler tief in der Hardware auftreten, welche prinzipiell nicht von einer Firewall erkannt werden können. Weiterhin stellen die Firewalls heute die einzige Sicherheitsmethode/Komponente im Fahrzeug dar. Im Hinblick auf das automatisierte und autonome Fahren wird auch beim Thema Security eine Redundanz notwendig sein, welche das Bordnetz sicherer gegen Angriffe macht. Heute gibt es noch keine Lösungen dafür im Bordnetz.
Mit dem zunehmenden Einsatz von Kameras stellt sich automatisch die Frage nach dem Datenschutz und dem Schutz der Privatperson. Beispielsweise stellt eine Videoüberwachung naturgemäß einen erheblichen Eingriff in das Persönlichkeitsrecht der Beschäftigten als Betroffene dar. Der Einzelne hat das grundgesetzlich geschützte Recht, selbst über das eigene Bild und dessen Verwendung zu bestimmen. Durch Videoüberwachung im Fahrzeug (Innenraum, Umfeld) - auch solche zu Zwecken des Diebstahlschutzes - besteht immer die latente Gefahr, dass Beschäftigte überwacht werden bzw. diese Daten nach außen geleitet werden oder auch unverschlüsselt gespeichert werden. Kommende autonom fahrende Fahrzeug werden mit mind. 8 Kameras und auch Datenloggern ausgestattet. Die Verschlüsselung zum Datenschutz der Außenwelt, als auch des Fahrers ist ein kommendes Thema - gerade im Hinblick auf die derzeit entwickelten Datenlogger, welche genau diese Daten aufzeichnen sollen.
Die leistungsstarken ECU verinnerlichen mehrere Controller als auch mehrere Switches in einer „Box“. Diese folgen dem Trend zur allgemeinen Reduzierung der Steuergeräte eines Fahrzeuges. Gerade für diese Steuergeräte müssen Sicherheitslösungen angeboten werden dann hierbei eine sehr große ECU und damit sehr viele Funktionen bei einem Angriff ausgelöscht werden können, im Vergleich zu einer normalen ECU heute.
Heutige Fahrzeugnetzwerke sind statisch konfiguriert, d.h. die Datenkommunikation (Sender-, Empfänger und Datenbeziehung) stehen spätestens bei der Bandende-Programmierung des Fahrzeuges fest. Die kommenden Architekturen und der Wunsch nach Serviceorientierter Kommunikation wiedersprechen dem heutigen Ansatz und verlangen nach neuen Konzepten. Für die nächsten Generationen wird nicht immer klar sein wer der Empfänger der Daten ist und welchen Weg die Daten gehen. Jeder Empfänger kann daher unterschiedliche Anforderungen an die Übertragung der Daten haben (z.B. externe ECU = Cloud, ungeschützte ECU, usw.). Der muss in Zukunft dynamisch auf die Anforderungen des Empfängers eigenen und die Datenübertragungsmechanismen verändern, d.h. geänderte Architektur und dynamische Datenübertragung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, günstigere Lösungen für die Zusicherung von Security in einem Fahrzeug, insbesondere zur Absicherung der Kommunikation im Fahrzeug für das automatisierte Fahren durch immer mehr Verbindungen, anzugeben.
Die Aufgabe wir durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahren zur Verschlüsselung von sicherheitsrelevanten Daten im Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass eine Identifikation einer Adresse des jeweiligen Kommunikationsteilnehmers 210 in einem Ethernetnetz über die IP Adressen, eine Messung der Laufzeit zu diesem Kommunikationspartner 220, Bestimmung des Abstandes und /oder der Position zu diesem Controller und/oder Anwendung 230, erfolgt, wobei bei Vorliegen der Bestimmung des Abstandes unter dem Schwellenwert 240 ist die Anwendung (pC,pP,SOC) vertrauenswürdig eingestuft wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zur Verifikation eine Absicherung mittels eines anderen Protokolls erfolgt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass nach der Messung der Laufzeit zu diesem Kommunikationspartner (220) und nach Bestimmung des Abstandes und/oder der Position zu diesem Controller und/oder Anwendung (230) eine Überprüfung der Messung der Laufzeit in der Art erfolgt, dass bei Vorliegen einer Laufzeit kleiner als die Laufzeit innerhalb der ECU, der Kommunikationsteilnehmer sich auf der gleichen Platine befindet, bei Vorliegen einer Laufzeit kleiner als die Laufzeit innerhalb des Fahrzeuges, der Kommunikationsteilnehmer sich innerhalb des Fahrzeuges befindet, bei Vorliegen einer Laufzeit kleiner als die Laufzeit innerhalb des internen Routers, der Kommunikationsteilnehmer direkt mit dem Fahrzeug verbunden ist, bei Vorliegen einer höheren Laufzeit, als die in den Punkten a), b) oder c), der Kommunikationsteilnehmer sich außerhalb des Fahrzeuges befindet.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass nach der Analyse der Laufzeit eine Überprüfung erfolgt, ob die Laufzeit größer ist als die doppelten PHY-Latenz, wobei bei Vorliegen einer größeren Laufzeit als der doppelten PHY-Latenz der Kommunikationsteilnehmer sich außerhalb der ECU befindet, und wobei bei Vorliegen einer kleineren Laufzeit als der doppelten PHY-Latenz der Kommunikationsteilnehmer nicht direkt verbunden ist. Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass, wenn sich der Kommunikationsteilnehmer außerhalb der ECU befindet, eine Anfrage zum Aufbau einer sicheren Verbindung von einem Kommunikationsteilnehmer zum anderen Kommunikationsteilnehmer erfolgt, wobei der Sicherheitsmechanismus zum Aufbau einer sicheren Verbindung abhängig von der ermittelten Entfernung erfolgt.
Die Erfindung erhöht vorteilhaft die Sicherheit im Fahrzeugbordnetz und es erfolgt eine Absicherung von Fahrerassistenzsystemen. Die Zeitsynchronisation ist elementarer Baustein jeglicher Ethernet-basierter Kommunikation und auch zwischen Bussystemen (CAN/Ethernet) und dient hier als der Trigger. Durch die Erfindung wird eine Reduzierung und Erkennen von Angriffen und Angriffspotentialen erzielt, da immer häufiger Hackerangriffe auf IP-basierende Fahrzeugnetzwerke zu erwarten sind. Damit wird die Security im Bereich von Ethernet erhöht.
TECHNISCHE VORTEILE DER ERFINDUNG
Die Erfindung schlägt vor, sich bei der Grundidee von NFC zu orientieren, bei dem der physische Abstand zwischen Teilenehmern hinreichend für eine vertrauenswürdige Verbindung ist. Da sich die Steuergeräte im Auto aber nicht physisch anähern können schlägt die EM einen ganz neuen Vorschlag vor. Da wir Softwware immer einfacher, generallisierter und palttform übergreifend anbieten wollen kann sowas auch nicht statisch eincodiert werden sondern muss in der Service-orientierten Umgebung angelernt werden.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, welches erkennt, wo sich ein Kommunikationspartner im Fahrzeug genau befindet (PCB, andere ECU, mit dem Fahrzeug verbunden oder irgendwo im Internet). Dabei wird unter Zuhilfenahme dessen Adresse mithilfe eines vorgestellten Messverfahrens berechnet, ob sich der Partner ganz in der Nähe aufhält (also auf derselben Platine-PCB) oder irgendwo im Boardnetz und damit evtl, ein Angreifer sein kann. Eine IP/Ethernet-Adresse kann leicht gefälscht werden, aber die Signallaufzeit nur sehr schwer. Die Erfindung löst das oben beschriebene Problem, indem es misst, ob sich ein Teilnehmer innerhalb der eigenen ECU - also auf der Platine - befindet (also ein anderer pC) oder ob sich der Teilnehmer bspw. im Internet oder irgendwo im Boardnetz befindet und evtl, eine dazwischengeschaltetete Einheit ist. Per se ist es schwieriger einen Chip auf einer Platine innerhalb einer ECU zu tauschen, hierfür gibt es genügend andere Verfahren, als sich im Bordnetz irgendwo dazwischen zu hängen. Gerade durch Ethernet und IP ist es deutlich einfacher geworden.
Den durch das Verfahren bereitgestellten Effekt, nämlich den Schutz gegen unbefugtes Angreifen, Verfälschen der Kommunikation und gegen den Austausch von Geräten, kann man auch auf andere Weise und mit noch höherem Sicherheitsniveau erzielen, beispielsweise durch den Einsatz von Hardware-Verschlüsselung (bzw. Authentifizierung) bedienen. Das Verfahren ermöglicht es Schutzmechanismen günstiger anzubieten und senkt zudem die Systemkosten. Das Verfahren kann sogar per OTA nachträglich eingespielt werden und bietet uns die Möglichkeit Security-Software zu verkaufen.
Im Fahrzeug ist es hingegen in der Regel nicht wirtschaftlich, allen mit dem Netzwerk verbundenen Teilnehmern eine für lückenlos verschlüsselte Kommunikation ausreichende Hardwareausstattung zu spendieren. Das beschriebene Verfahren setzt deutlich geringere Hardwareressourcen (kann mit vorhandenen Implementierungen umgesetzt werden) voraus und steigert somit das Sicherheitsniveau deutlich, ohne dass dies zwangsläufig mit höheren Herstellungskosten für das Netzwerk oder daran angeschlossene Geräte gekoppelt wäre.
Dieses Verfahren kann insbesondere in Form einer Software implementiert sein, die als Update oder Upgrade zu bestehender Software oder Firmware von Teilnehmern am Netzwerk vertrieben werden kann und insofern ein eigenständiges Produkt darstellt. In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung die Güte der Ausführung von Software-basierten Anwendungen (z. B. Automatisiertes Fahren) erhöht werden, insbesondere ohne finanziellen Mehraufwand. Mit der Nutzung des neu eingeführten Ethernet-Protokolls im Automobil sind Mechanismen notwendig, die sich einfache Techniken und gegebene Eigenschaften von Technologien zu Nutze machen, um auf teure Implementierungen und weitere zusätzliche Hardware verzichten zu können. Das erfindungsgemäße Netzwerksystem ist im Hinblick auf Kosten und Zuverlässigkeit verbessert. Continental kann hiermit durch Softwarebasierte Verfahren das beste aus seiner ECU oder dem Netzwerk herausholen und dem Kunden mehr Funktionalität bieten.
In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung die Sicherheit eines Fahrzeugnetzwerks signifikant und sehr simpel erhöht werden, insbesondere ohne finanziellen Mehraufwand. Proprietäre Lösungen können hiermit umgangen werden. Mit der Nutzung des neu eingeführten Ethernet-Protokolls im Automobil sind Mechanismen notwendig, die sich einfache Techniken und gegebene Eigenschaften von Technologien zu Nutze machen, um auf teure Implementierungen und weitere zusätzliche Hardware verzichten zu können. Durch frühzeitigere Erkennung von Angriffen und Fehlverhalten mittels der frühen Analyse der Kommunikationspfade lassen sich Lücken und Fehler vor der Auslieferung des Fahrzeugs erkennen. Das erfindungsgemäße Netzwerksystem ist im Hinblick auf Kosten und Zuverlässigkeit verbessert. Die Testbarkeit des Systems wird durch die Erfindung klarer definiert und dadurch können Testkosten gespart werden. Zudem bietet die Erfindung eine transparente Sicherheitsfunktionalität.
Plattformunabhängige Software und höhere Qualität
Heute verkaufen wir Anwendungen, zugeschnitten und angepasst auf einen OEM bzw. genau ein Projekt. Mit dieser EM werden Verfahren vorgestellt, die unsere Software etwas flexibler gestalten lässt und das Beste aus dem darunter liegenden System macht - ohne es vorher fix in die Software programmiert zu haben. Wir müssen heute eigentlich vom Worst-Case ausgehen was Ressourcen (Geld) kostet und Qualität einbüßt. Die Erfindung erlaubt es den Softwareentwicklern und -architekten eine Software/Anwendung anzubieten, welche flexibler und präziser auf die Anforderungen des Anwendungsfalles zugeschnitten werden kann. Durch den Einbau der genannten Verfahren in unsere Software kann jeweils beim Kunden (OEM) (oder innerhalb unseres Steuergerätes) eine Optimierung erfolgen. Dies bedeutet, dass unsere Software Plattform- und kundenunabhängiger werden kann.
Vorteil: Beherrschung der neuen (automotive) Technologien Ethernet und IP
Die neuen Technologien sind im Automobil nicht mehr aufzuhalten. Protokolle wie IP, AVB und TSN haben mehrere Tausend Seiten an Spezifikationen und Testsuites. Die Beherrschbarkeit dieser neuen Protokolle im Automobil ist nicht trivial.
Der Einsatz der Erfindung kann in andere Kommunikationssysteme mit Uhrensynchronisationskomponenten und embedded Systemen eingesetzt werde.
ZEICHNUNGEN
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Generelle Lösung der Problemstellung;
Fig. 2 Verfahren zur Bestimmung der relativen Position;
Fig. 3 Darstellung eines Anwendungsfalles, wenn ein Controller innerhalb der eigenen gemeinsamen ECU sicherer Verfahren ist als einer im Bordnetz;
Fig. 4 Vertrauensprüfung, wenn sich ein Controller unmittelbar auf der gleichen Platine befindet;
Fig. 5 Darstellung, wann Vertrauen gegenüber dem Kommunikationspartner vorliegt; Fig. 6 Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 7 Positionsmessung mittels Laufzeitmessung und Bestimmung der relativen Position;
Fig. 8 Darstellung der PHY zu PHY im Gegensatz zu MAC zu MAC Kommunikation;
Fig. 9 Bestimmung der Position einer anderen ECU/SW/Adresse.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die Erfindungsmeldung schlägt im Folgenden Verfahren vor, um die Vertrauenswürdigkeit eines Kommunikationspartners (bzw. dessen Anwendung) zu bestimmen. Sofern diese Vertrauenswürdigkeit bestimmt ist kann der Austausch von sensiblen Daten vollzogen werden - für den anderen Fall wird eine andere Lösung vorgeschlagen (ist aber nicht Priorität des Verfahrens).
Fig. 3
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Gesamtsystemarchitektur bei dem eine ECU (Server) mit weiteren Sensoren und ECUs und Komponenten außerhalb des Fahrzeuges verbunden ist. Die Controller auf dem Server sind auf der PCB (Platine) typischerweise per MH (Media Independent Interface) oder PCI-Express verbunden und kommen damit immer ohne Transceiver (PHYs) aus.
Ein Ethernet-Transceiver (PHY) verursacht eine Verzögerung im 3-stelligen Nanosekunden Bereich. Das klingt wenig, aber die Verzögerung auf Schicht 2 (MAC) befindet sich etwa im 1 -stelligen Nanosekunden Bereich bzw. tendiert gegen 0 - je nachdem wie hoch die Auflösung der Messung liegt.
Das Verfahren bestimmt zu allererst die Adresse der Anwendung, mit der Daten ausgetauscht werden sollen (empfangen, versendet oder beides). Dann startet das Verfahren eine Laufzeitmessung zu dieser Komponente. Hierbei kann bsp. das PDelay_Request-Verfahren des gPTP Protokolls (oder 802.1 AS) zum Einsatz kommen. Als Antwort darauf werden zwei Antworten zurückgeschickt und mithilfe von Hardwarezeitstempel lässt sich die Laufzeit der Nachricht bestimmen, (wichtig ist die Verwendung eines Protokolls mit Hardwarezeitstempeln- NTP fällt bspw. damit raus da die Auflösung zu ungenau ist).
Mithilfe dieses berechneten Wertes berechnet das Verfahren den physikalischen Abstand zu diesem Teilenehmer. Der Abstand ist hierbei nicht direkt ausgedrückt durch eine Maßeinheit wie bspw. Meter oder Zentimeter, sondern lässt sich umrechnen auf die Anzahl der Komponenten (PHYs, Switches) die Teil der Verbindung sind, da diese Verzögerung maßgeblich im Gegensatz zur Verzögerung auf dem eigentlichen Kabel ist.
Das Verfahren misst die Laufzeit zu einem Teilnehmer/Adresse indem es Laufzeitmessungen startet (bspw. Teil des PTP Protokolls) und daraus den Abstand zu diesem Teilnehmer berechnet.
Die gemessene Laufzeit muss erst bewertet werden, um einen Aufschluss über den Ort zu geben. Ob sich ein Partner innerhalb dergleichen ECU befindet oder nicht kann die Software nicht wissen bzw. idealerweise darf sie es nicht wissen, wenn eine generalisierte SW und keine Spezialversion genutzt wird; zudem können IP-Adressen gefälscht oder verändert werden.
Die Laufzeit einer Mll-basierten Verbindung kommt ohne PHYs (Transceiver) aus. Das weiß jedoch weder die Zeitsynchronisationssoftware noch die eigentliche Anwendung, die diese Untersuchung in Auftrag gibt. Ein PHY wandelt die Daten in elektrische Signale um und codiert diese noch was viel mehr Zeit in Anspruch nimmt als wenn zwei Ethernet-MACs über die MH basierten Leitungen miteinander kommunizieren. Das vorgestellte Verfahren erkennt, ob ein Teilnehmer direkt mit dem anfragenden Teilnehmer verbunden ist. Ist dies nicht der Fall, dann kann je nach Latenz das jeweilig passende Protokoll ausgewählt werden. Für Latenzen, die innerhalb des Fahrzeuges gelten, könnte bspw. MAC-Sec, IP-Sec zum Einsatz kommen und weitere IP/TCP-basierte Verfahren, wenn die Latenz so groß ist, und der Teilnehmer sich zweifelsfrei außerhalb des Fahrzeuges befindet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verschlüsselung von sicherheitsrelevanten Daten im Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Identifikation einer Adresse des jeweiligen Kommunikationsteilnehmers (210) in einem Ethernetnetz über die IP-Adressen,
- eine Messung der Laufzeit zu diesem Kommunikationspartner (220),
- Bestimmung des Abstandes und /oder der Position zu diesem Controller und/oder Anwendung (230), erfolgt, wobei bei Vorliegen der Bestimmung des Abstandes unter dem Schwellenwert (240) die Anwendung (pC, pP, SOC) als vertrauenswürdig eingestuft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Verifikation eine Absicherung mittels eines anderen Protokolls erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- nach der Messung der Laufzeit zu diesem Kommunikationspartner (220) und
- nach der Bestimmung des Abstandes und/oder der Position zu diesem Controller und/oder Anwendung (230) erfolgt,
- eine Überprüfung der Messung der Laufzeit in der Art erfolgt, dass a) bei Vorliegen einer Laufzeit kleiner als die Laufzeit innerhalb der ECU, der Kommunikationsteilnehmer sich auf der gleichen Platine befindet, b) bei Vorliegen einer Laufzeit kleiner als die Laufzeit innerhalb des Fahrzeuges, der Kommunikationsteilnehmer sich innerhalb des Fahrzeuges befindet, c) bei Vorliegen einer Laufzeit kleiner als die Laufzeit innerhalb des internen Routers, der Kommunikationsteilnehmer direkt verbunden mit dem Fahrzeug ist, d) bei Vorliegen einer höheren Laufzeit, als die in den Punkten a), b) oder c), der Kommunikationsteilnehmer sich außerhalb des Fahrzeuges befindet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Analyse der Laufzeit, eine Überprüfung erfolgt, ob die Laufzeit größer als die doppelte PHY-Latenz ist, wobei bei Vorliegen einer größeren Laufzeit als der doppelten PHY-Latenz der Kommunikationsteilnehmer sich dieser außerhalb der ECU befindet, und wobei bei Vorliegen einer kleineren Laufzeit als der doppelten PHY-Latenz der Kommunikationsteilnehmer nicht direkt verbunden ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenn sich der Kommunikationsteilnehmer sich dieser außerhalb der ECU befindet eine Anfrage zum Aufbau einer sicheren Verbindung von einem Kommunikationsteilnehmer zum anderen Kommunikationsteilnehmer erfolgt, wobei der Sicherheitsmechanismus zum Aufbau einer sicheren Verbindung abhängig der ermittelten Entfernung erfolgt.
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