WO2019020549A1 - Verfahren und vorrichtung zum schützen eines feldbusses - Google Patents

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Antonio La Marca
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    • H04L2012/40215—Controller Area Network CAN

Definitions

  • the present invention relates to a method for protecting a fieldbus.
  • the present invention also relates to a corresponding
  • any system for detecting attacks directed against a computer system or computer network is referred to as
  • IDS Intrusion detection system
  • NIDS network-based IDSs
  • WO2017042012A1 discloses a private controller area network (CAN) in a vehicle to not directly attacked electronic
  • CAN controller area network
  • ECUs Control units
  • Each ECU on the private CAN stores a common encrypted hacking notification key and a unique identification code.
  • a first vehicle system ECU detects an unauthorized access attempt via the public CAN, it sends a warning message to the other ECUs via the closed, private CAN. Disclosure of the invention
  • IPS intrusion prevention system
  • the proposed approach is based on the insight that safety in the vehicle is not only influenced by the installed systems and the driver. Rather, the vehicle is increasingly the target of attacks by third parties, which disrupt the communication between sensors, actuators and control units in the vehicle via networks and bus systems such as CAN or FlexRay. To the negative effects of such a disruption of communication
  • CRC cyclic redundancy check
  • NAK negative acknowledgment
  • Messages use dummy values or dummy data instead of the payload data received from the receiver over the bus to put the vehicle in a safe state.
  • the message content is supplemented with additional
  • CRC values and alive counters enriched which can be monitored by receivers and for which in Diagnostics are started in the same way and, if necessary, substitute values are applied.
  • FIG. 1 shows schematically a field bus with an attack detection system according to a first embodiment.
  • FIG. 1 shows a field bus (10) to which a first control unit (11), a second control unit (12), a third control unit (13) and a fourth control unit (14) are connected.
  • the first control unit (11) sends a message with the identifier (identifier) "123.” This message is received by the second control unit (12), while the fourth control unit (14) sends a message with the identifier " 789 ". This message is received by the second controller (12) and third controller (13).
  • the third control device (13) corresponds to an embodiment of the invention and follows the sequence illustrated in FIG. Therefore, the third receives
  • Control unit (13) all messages defined in the fieldbus (10) as part of a monitoring (21) of the network communication.
  • a fifth controller (15) corrupted by an attacker now also sends a message with the identifier "123.”
  • the second controller (12) also receives this message, but does not automatically recognize it as an attack because, for example, the CRC value within the Message with the identifier "123" has been correctly replicated, and therefore processes the manipulated message content through its program code on.
  • an attack detection system (16) operated on the third control unit (13) recognizes, for example, by a plausibility check (decision 24). of the data content - the anomaly (branch 25) of the message "123" and can initiate its defense (process 26).
  • the attack detection system (16) should receive and process all communications over the fieldbus (10). Only such messages undergo the test (24) known to the system (decision 22) and for which test requirements are defined (branch 23). If an unknown message is received (branch 28), it will not be checked further. Optionally, in this case, an internal or external warning or other message (process 29) of the fact that an unknown message has been received.
  • the message may contain several CRC values, which in this case should all be correctly calculated.
  • the CAN data telegram contains a corresponding 16-bit checksum field that relates to the entire message and numerous
  • OEMs Original equipment manufacturers
  • this "defense message” thus consists of all the CRCs, the recipient will process them instead of the attack message and increase his internal counter accordingly, for example, if he receives the actual attack message shortly afterwards - despite the known identifier and valid CRC code. Value - discarded in the face of their message counter, which already matched the defender's message.
  • the defense mechanism can be executed as often as necessary. Through the described defense mechanism, the attacked function can be disabled if the implementation on the attacked controller such deactivation in the event of the arrival of multiple "duplicates", ie valid messages with matching counter, provides.

Abstract

Verfahren (20)zum Schützen eines Feldbusses (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - durch eine Überwachung (21) des Feldbusses (10) wird eine auf dem Feldbus (10) übertragene erste Botschaft empfangen, - eine für die erste Botschaft definierte Prüfvorschrift wird gesucht (22), - wird die Prüfvorschrift aufgefunden (23), so wird die erste Botschaft auf eine Anomalie geprüft (24), und - wird die Anomalie erkannt (25), so wird eine zweite Botschaft mit einem Botschaftszähler dergestalt übertragen (26), dass folgende Botschaften aufgrund einer fehlerhaften Abfolge verworfen werden.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Schützen eines Feldbusses
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen eines Feldbusses. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende
Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
In der IT-Sicherheit wird jedwedes System zur Erkennung von Angriffen, die gegen ein Computersystem oder Rechnernetz gerichtet sind, als
Angriffserkennungssystem (intrusion detection System, IDS) bezeichnet. Bekannt sind insbesondere Netzwerk-basierte IDS (NIDS), die alle Pakete in einem zu überwachenden Netzwerksegment aufzeichnen, analysieren und anhand bekannter Angriffsmuster verdächtige Aktivitäten melden.
WO2017042012A1 offenbart ein privates Controller Area Network (CAN) in einem Fahrzeug, um nicht unmittelbar angegriffene elektronische
Steuereinheiten (electronic control units, ECUs) von nicht autorisierten
Versuchen zu informieren, auf eine angegriffene ECU zuzugreifen. Jede ECU auf dem privaten CAN speichert einen gemeinsamen verschlüsselten Hacking- Benachrichtigungsschlüssel und einen eindeutigen Identifikationscode. Wenn eine erste Fahrzeugsystem- ECU einen unberechtigten Zugriffsversuch über das öffentliche CAN erkennt, sendet sie eine Warnmeldung an die anderen ECUs über das geschlossene, private CAN. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Schützen eines Feldbusses, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Eindringschutzsystem (intrusion prevention System, IPS) sowie Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Als IPS ist hierbei im weitesten Sinne jedes IDS zu verstehen, welches über die reine Erkennung von Angriffen hinaus auch Maßnahmen zu deren Abwehr ergreift.
Der vorgeschlagene Ansatz fußt hierbei auf der Erkenntnis, dass die Sicherheit im Fahrzeug nicht nur durch die verbauten Systeme und den Fahrer beeinflusst wird. Das Fahrzeug wird vielmehr zunehmend zum Ziel von Angriffen Dritter, welche die Kommunikation zwischen Sensoren, Aktoren und Steuergeräten im Fahrzeug über Netzwerke und Bussysteme wie CAN oder FlexRay stören. Um die negativen Auswirkungen einer solchen Störung der Kommunikation
- insbesondere auf die Sicherheit des Fahrers - zu minimieren, sind
verschiedene Mechanismen einsetzbar, um einen Ausfall bzw. eine Störung zu erkennen und darauf zu reagieren. Zu diesen Mechanismen zählen in Hardware umgesetzte Maßnahmen, wie beispielsweise die zyklische Redundanzprüfung (cyclic redundancy check, CRC) im CAN- Protokoll, deren Fehlschlag eine negative Empfangsquittierung (negative acknowledgment, NAK) auslöst, sodass die betreffenden Nutzdaten (payload) vom prüfenden Steuergerät nicht weiterverarbeitet werden.
Auch in Gestalt von Software stehen einschlägige Mechanismen zur Verfügung, so etwa die Überwachung von Datenlängen und Zykluszeiten, die in der Regel im Fahrzeug fest definiert sind. Abhängig vom Ergebnis der Überwachung werden ggf. Eingriffe vorgenommen, die beispielsweise nach dem Ausfall einzelner
Botschaften Ersatzwerte oder Blinddaten (dummy) anstelle der vom Empfänger über den Bus empfangenen Nutzdaten verwenden, um das Fahrzeug in einen sicheren Zustand zu versetzen. Für Botschaften, deren Inhalt die Sicherheit des Fahrzeuges gefährden kann, wird der Botschaftsinhalt mit zusätzlichen
Informationen wie CRC-Werten und Botschaftszählern (alive counters) angereichert, die von Empfängern überwacht werden können und für welche in gleicher Weise Diagnosen gestartet und gegebenenfalls Ersatzwerte angewendet werden.
Um Netzwerke zukünftig gegen Manipulationen bzw. Angriffe von außen zu sichern, sind Erweiterungen der Botschaftsinhalte durch (kryptografische) Signaturen bis hin zur kompletten Verschlüsselung von Botschaften denkbar.
Diese Maßnahmen erfordern jedoch eine höhere Rechenleistung oder stärkere Hardwareunterstützung und können nicht von jedem Aktuator, Sensor oder Steuergerät im Fahrzeug zeitnah eingeführt werden.
Ein Vorzug der im Folgenden vorgestellten Verfahren zur Erkennung von Angriffen auf die fahrzeuginterne Kommunikation liegt dagegen in ihrer allgemeinen und von der Mitwirkung anderer Steuergeräte weitgehend unabhängigen Anwendbarkeit.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 schematisch einen Feldbus mit einem Angriffserkennungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform.
Figur 2 das Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer zweiten
Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Im Systembeispiel der Figur 1 dargestellt ist ein Feldbus (10), an welchen ein erstes Steuergerät (11), ein zweites Steuergerät (12), ein drittes Steuergerät (13) und ein viertes Steuergerät (14) angeschlossen sind. In einem denkbaren Anwendungsszenario versendet das erste Steuergerät (11) eine Botschaft mit der Kennung (identifier, ID)„123". Diese Botschaft wird vom zweiten Steuergerät (12) empfangen. Das vierte Steuergerät (14) hingegen versendet eine Botschaft mit der Kennung„789". Diese Botschaft wird vom zweiten Steuergerät (12) und dritten Steuergerät (13) empfangen.
Das dritte Steuergerät (13) entspricht einer Ausführungsform der Erfindung und befolgt den in Figur 2 illustrierten Ablauf. Deshalb empfängt das dritte
Steuergerät (13) alle im Feldbus (10) definierten Botschaften im Rahmen einer Überwachung (21) der Netzwerkkommunikation. Ein von einem Angreifer korrumpiertes fünftes Steuergerät (15) versendet nun ebenfalls eine Botschaft mit der Kennung„123". Das zweite Steuergerät (12) empfängt zwar auch diese Botschaft, erkennt sie indes nicht selbstständig als Angriff, da beispielsweise der CRC-Wert innerhalb der Botschaft mit der Kennung„123" korrekt nachgebildet wurde, und verarbeitet den manipulierten Botschaftsinhalt daher durch seinen Programmkode weiter.
Ein auf dem dritten Steuergerät (13) betriebenes Angriffserkennungssystem (16) jedoch erkennt - zum Beispiel durch eine Plausibilitätsprüfung (Entscheidung 24) des Dateninhalts - die Anomalie (Zweig 25) der Botschaft„123" und kann deren Abwehr (Prozess 26) einleiten.
Zu diesem Zweck sollte das Angriffserkennungssystem (16) die gesamte Kommunikation über den Feldbus (10) empfangen und verarbeiten. Lediglich solche Botschaften werden der Prüfung (24) unterzogen, die dem System bekannt (Entscheidung 22) und für welche Prüfvorschriften definiert sind (Zweig 23). Wird eine unbekannte Botschaft empfangen (Zweig 28), so wird diese nicht weiter geprüft. Optional kann in diesem Fall eine interne oder externe Warnung oder anderweitige Meldung (Prozess 29) des Umstandes erfolgen, dass eine unbekannte Botschaft empfangen wurde.
Zur Abwehr (26) von erkannten Angriffen auf die fahrzeuginterne Kommunikation wird die gleiche Botschaftskennung für eine ebenfalls valide, jedoch
unschädliche Botschaft verwendet, die so gesendet wird, dass sie zeitlich vor oder nach der Angriffsbotschaft beim designierten Empfänger eintrifft und einen korrekten CRC- Wert aufweist. Der Botschaftszähler wird hierbei so verändert, dass die folgenden Botschaften aufgrund falscher Abfolge verworfen werden. Ein Spezialfall könnte hierbei sein, den Botschaftszähler um eine Einheit zu reduzieren; es könnte gleichwohl andere Spezialfälle geben, bei denen der Botschaftszähler inkrementiert werden muss oder mehrere Einheiten reduziert oder inkrementiert werden müssen, damit diese Botschaft erfolgreich ist.
Hierzu sei bemerkt, dass die Botschaft durchaus mehrere CRC-Werte enthalten mag, die in diesem Fall sämtlich korrekt zu berechnen wären. Beispielsweise enthält das CAN- Datentelegramm ein entsprechendes 16-Bit-Prüfsummenfeld, das sich auf die gesamte Nachricht bezieht und von zahlreichen
Erstausrüstern (original equipment manufacturers, OEMs) um einen weiteren, spezifischen CRC-Wert im eigentlichen Datenfeld ergänzt wird.
Da diese„Abwehrbotschaft" somit sämtliche CRCs besteht, wird der Empfänger sie anstelle der Angriffsbotschaft verarbeiten und seinen internen Zähler entsprechend erhöhen. Erreicht ihn beispielsweise kurz darauf die eigentliche Angriffsbotschaft, so wird diese - trotz bekannter Kennung und gültigem CRC- Wert - angesichts ihres mit der bereits verarbeiteten Abwehrbotschaft übereinstimmenden Botschaftszählers verworfen.
Als Nutzdaten für die Abwehrnachricht können entweder die letzten gültigen Daten übernommen, falsche Daten oder Dummy-Daten (z. B. eine Nullfolge) eingesetzt werden. Das optimale Vorgehen in dieser Hinsicht ist abhängig von der Funktionsweise der implementierten Funktion auf dem angegriffenen Steuergerät.
Der Abwehrmechanismus kann dabei sooft wie nötig ausgeführt werden. Durch den beschriebenen Abwehrmechanismus kann die angegriffene Funktion deaktiviert werden, falls die Implementierung auf dem angegriffenen Steuergerät eine solche Deaktivierung für den Fall des Eintreffens mehrerer„Duplikate", also gültiger Botschaften mit übereinstimmendem Zähler, vorsieht.

Claims

Verfahren (20) zum Schützen eines Feldbusses (10),
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- durch eine Überwachung (21) des Feldbusses (10) wird eine auf dem Feldbus (10) übertragene erste Botschaft empfangen,
- eine für die erste Botschaft definierte Prüfvorschrift wird gesucht (22),
- wird die Prüfvorschrift aufgefunden (23), so wird die erste Botschaft auf eine Anomalie geprüft (24), und
- wird die Anomalie erkannt (25), so wird eine zweite Botschaft mit einem Botschaftszähler dergestalt übertragen (26), dass folgende Botschaften aufgrund einer fehlerhaften Abfolge verworfen werden.
Verfahren (20) nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- wird die Anomalie nicht erkannt (27), so wird die Überwachung (21) fortgesetzt.
Verfahren (20) nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- wird die Prüfvorschrift nicht gefunden (28), so wird die erste Botschaft als unbekannt gemeldet (29).
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- die erste Botschaft und die zweite Botschaft weisen ferner eine
übereinstimmende Botschaftskennung auf.
Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- die zweite Botschaft wird derart übertragen (26), dass die zweite Botschaft nach der ersten Botschaft oder vor oder nach der jeweils nächsten
Angriffsbotschaft zugestellt wird.
6. Verfahren (20) nach Anspruch 4 oder 5,
gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale:
- die zweite Botschaft umfasst gespeicherte gültige Nutzdaten,
- die zweite Botschaft umfasst bekanntermaßen fehlerhafte Nutzdaten oder
- die zweite Botschaft umfasst Blinddaten, insbesondere eine Nullfolge als Nutzdaten.
7. Verfahren (20) nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- zumindest anhand der Botschaftskennung, des Botschaftszählers und der Nutzdaten wird eine Prüfsumme, insbesondere ein CRC-Wert berechnet und
- die zweite Botschaft umfasst ferner die Prüfsumme.
8. Computerprogramm, insbesondere Angriffserkennungssystem (16), welches eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
10. Vorrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
PCT/EP2018/069882 2017-07-25 2018-07-23 Verfahren und vorrichtung zum schützen eines feldbusses WO2019020549A1 (de)

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