3、汽车信息安全威胁模型：常见攻击面（CAN、以太网、诊断、OTA）、攻击类型（重放、伪造、中间人）、安全需求分析

现代智能网联汽车已不再是封闭的机械系统，而是一个由多个电子控制单元（ECU）、车载网络、外部通信接口和云端服务构成的复杂信息物理系统。随着车辆与外界的连接日益紧密，攻击者的入侵路径也从物理接触扩展到了远程无线攻击。理解威胁模型是设计有效安全机制的前提——只有清楚攻击者从哪里来、用什么手段、要达到什么目的，才能针对性地部署HSM（硬件安全模块）与SecOC（安全车载通信）等防护措施。本章将系统梳理汽车信息安全的主要攻击面、典型攻击类型，并基于STRIDE与攻击树方法展开安全需求分析，为后续章节中HSM与SecOC的具体实现奠定威胁建模基础。

上图从全局视角勾勒了汽车信息安全威胁模型的核心要素：攻击者来源、四大攻击面、典型攻击类型、安全需求分析以及最终落到HSM与SecOC的防护措施。这张图贯穿了本章的讨论主线——从“哪里可能被攻击”到“攻击者如何操作”，再到“我们需要什么安全属性”，最后映射到“用什么技术手段实现”。下面我们将逐一展开每个环节的细节。

3.1 常见攻击面：从物理世界到数字世界的暴露点

3.1.1 CAN 总线：最经典也最脆弱的攻击面

CAN（Controller Area Network）总线自20世纪80年代起就成为车载网络的中枢，至今仍在动力总成、车身控制、底盘安全等关键域中占据主导地位。CAN总线在设计之初以实时性和可靠性为首要目标，并未充分考虑安全性。其广播通信机制意味着总线上的所有节点都能看到所有消息；而基于ID的仲裁机制使得任何节点都可以向总线发送消息，且没有内建的消息认证机制。这种设计在封闭的车辆环境中是高效的，但在智能网联时代却成为最大的安全隐患。

攻击者入侵CAN总线的典型路径包括：

• OBD-II端口物理接入：通过诊断接口直接连接到CAN总线，这是最直接的攻击方式。攻击者可以使用廉价的USB-CAN适配器（如PCAN、SocketCAN）在几秒钟内完成物理接入。
• 远程攻击间接渗透：通过T-Box（远程信息处理终端）、信息娱乐系统或蓝牙/Wi-Fi模块等远程接口，先攻破一个非安全ECU，再以此为跳板向CAN总线注入恶意消息。例如，2015年Charlie Miller和Chris Valasek通过克莱斯勒Uconnect系统的蜂窝网络漏洞，远程向CAN总线发送恶意指令，控制了正在行驶中的Jeep Cherokee的转向和制动系统。
• 恶意ECU替换：在维修或改装场景中，攻击者可能替换一个合法ECU为恶意设备，该设备持续监听总线并注入伪造消息。

CAN总线的攻击面特性决定了它需要SecOC这样的消息认证机制来弥补先天不足。但SecOC的部署需要硬件支持（如HSM提供密钥存储和MAC计算），且要考虑CAN FD（CAN with Flexible Data-rate）等新协议变体的兼容性。

3.1.2 车载以太网：高带宽带来的新风险

随着ADAS（高级驾驶辅助系统）、高精度地图、车载娱乐系统对带宽需求的激增，车载以太网（Automotive Ethernet，通常为100BASE-T1或1000BASE-T1）正逐步成为车载骨干网络。以太网的优势在于高带宽、低延迟和良好的可扩展性，但它也引入了传统IT网络中的安全风险。

车载以太网的主要攻击面包括：

• 网络嗅探与流量分析：以太网支持交换机端口镜像和混杂模式，攻击者一旦接入网络即可捕获所有未加密的通信流量，分析出敏感数据（如车辆位置、驾驶行为、密钥材料）。
• ARP欺骗与中间人攻击：在以太网环境中，ARP（地址解析协议）欺骗可以重定向流量，使攻击者能够拦截、修改或转发ECU之间的通信。这在传统IT网络中已是成熟攻击手段，在车载环境中同样适用。
• DoS攻击：以太网的高带宽特性使得攻击者可以发送大量垃圾数据包，淹没交换机的处理能力，导致关键控制消息延迟或丢失，影响车辆安全功能。

车载以太网的安全防护需要结合MACsec（Media Access Control Security，IEEE 802.1AE）或IPsec等链路层/网络层加密认证机制，同时配合SecOC在应用层提供端到端的消息认证。值得注意的是，以太网和CAN之间的网关（Central Gateway）是安全边界的关键节点，需要在网关处实施严格的消息过滤和访问控制策略。

3.1.3 诊断接口：合法工具的非法滥用

诊断接口（OBD-II或基于UDS over CAN/以太网的诊断协议）是车辆维修和检测的法定接口，也是攻击者最“友好”的入口。诊断协议（如UDS - Unified Diagnostic Services，ISO 14229）提供了丰富的服务，包括读取/写入数据、清除故障码、例程控制、固件下载等。这些功能在合法场景下是维修人员的利器，但在攻击者手中则成为控制车辆的“后门”。

诊断攻击的典型手法包括：

• 安全访问绕过：UDS的SecurityAccess服务（0x27服务）通过种子-密钥（Seed-Key）机制保护敏感操作。但许多ECU的种子-密钥算法强度不足，甚至使用固定密钥，攻击者可以通过逆向工程提取算法并生成有效密钥。
• 固件提取与逆向：通过诊断接口读取ECU的Flash内容，提取固件进行逆向分析，寻找漏洞或提取密钥材料。这是许多攻击链的第一步。
• 重编程攻击：攻击者利用诊断接口的编程会话（Programming Session）刷写恶意固件，完全控制ECU行为。例如，刷写一个修改了排放控制逻辑的发动机ECU固件，或者刷写一个禁用制动辅助功能的固件。

诊断接口的安全防护需要多管齐下：使用HSM存储诊断访问的密钥，实施强化的安全访问机制（如基于非对称加密的挑战-响应认证），对诊断会话进行审计和日志记录，并在网关处限制诊断请求的访问范围（只允许访问特定ECU的特定服务）。

3.1.4 OTA 升级：远程攻击的“高速公路”

OTA（Over-The-Air）升级是智能网联汽车的核心功能之一，允许车企远程更新ECU固件、修复漏洞、推送新功能。然而，OTA系统本身也成为一个高价值的攻击目标。如果OTA通道不安全，攻击者可以：

• 固件篡改：在OTA下载过程中拦截并修改固件包，注入恶意代码。这要求OTA系统具备完整的签名验证机制，确保固件包在传输和安装过程中未被篡改。
• 回滚攻击：攻击者将固件版本回滚到存在已知漏洞的旧版本，从而利用旧版本中的漏洞。这要求OTA系统具备版本回滚防护机制（Anti-Rollback），通常通过安全计数器或版本号验证实现。
• 中间人攻击：在车辆与OTA服务器之间建立中间人代理，拦截、修改或重放OTA会话。这要求OTA通信使用TLS等加密协议，并验证服务器证书的真实性。

OTA安全的核心在于建立完整的信任链：从OTA服务器的代码签名密钥，到车辆端的安全启动（Secure Boot）验证，再到ECU的HSM中存储的信任根。任何一环的缺失都可能导致整个OTA链路的崩溃。

3.2 典型攻击类型：攻击者的战术手法

3.2.1 重放攻击（Replay Attack）

重放攻击是指攻击者记录下合法的通信消息，然后在稍后的时间重新发送这些消息，以达到欺骗接收方的目的。在CAN总线环境中，重放攻击尤其容易实施，因为CAN消息没有时间戳或序列号，接收方无法区分消息是新鲜的还是重放的。

一个典型的重放攻击场景是：攻击者记录下驾驶员按下“解锁车门”按钮时发送的CAN消息，然后在车主离开后重放该消息，从而解锁车门。更危险的是，如果攻击者记录的是制动控制消息，重放可能导致意外的制动动作。

防御重放攻击的核心机制是新鲜度值（Freshness Value）。SecOC协议中，发送方和接收方共享一个新鲜度计数器或时间戳，接收方验证消息中的新鲜度值是否在可接受的窗口内。如果消息的新鲜度值过期或重复，接收方将丢弃该消息。新鲜度值的实现方式包括：

• 计数器方案：发送方和接收方维护一个同步的递增计数器，消息中携带计数器的当前值。接收方验证计数器值是否大于上次接收的值，且差值在允许范围内。
• 时间戳方案：消息中携带发送方的本地时间戳，接收方验证时间戳与本地时间的偏差是否在允许范围内。这要求所有ECU具备时间同步能力。
• 挑战-响应方案：接收方在收到消息后发送一个随机挑战，发送方必须用正确的密钥对挑战进行响应。这种方式延迟较高，不适合实时性要求高的控制消息。

3.2.2 伪造攻击（Forgery/Spoofing）

伪造攻击是指攻击者伪装成合法的发送方，向网络中注入伪造的消息。在CAN总线中，由于没有内建的消息认证机制，任何节点都可以发送带有任意ID的消息。攻击者只需知道目标消息的ID和数据结构，就可以伪造出看似合法的消息。

伪造攻击的典型场景包括：

• 伪造车速信号：攻击者伪造车速传感器消息，使仪表盘显示错误车速，或使ABS/ESP系统做出错误判断。
• 伪造发动机控制消息：攻击者伪造发动机转速或扭矩请求，导致发动机异常工作或熄火。
• 伪造安全气囊触发消息：攻击者伪造碰撞传感器消息，触发安全气囊展开，或在真实碰撞时抑制气囊展开。

防御伪造攻击的核心是消息认证码（MAC）。SecOC协议中，发送方使用共享密钥对消息内容（或消息的关键字段）计算MAC，并将MAC附加在消息中。接收方使用相同的密钥重新计算MAC，并与接收到的MAC进行比较。如果MAC不匹配，接收方丢弃消息。MAC的计算通常由HSM硬件完成，以确保密钥不会暴露在软件环境中。

MAC的密钥管理是SecOC安全性的关键。AUTOSAR定义了多种密钥管理策略，包括：

• 静态密钥：所有ECU共享一个全局密钥，实现简单但安全性较低，一旦一个ECU被攻破，整个网络的通信都面临风险。
• 动态密钥：密钥定期更新，降低密钥泄露的风险。AUTOSAR的Key Manager模块负责密钥的生成、分发和更新。
• 分组密钥：不同域或不同功能的ECU使用不同的密钥，实现安全隔离。例如，动力域和车身域使用不同的密钥，即使车身域被攻破，动力域仍然安全。

3.2.3 中间人攻击（Man-in-the-Middle, MITM）

中间人攻击是指攻击者在通信双方之间插入自己，能够拦截、修改甚至伪造双方之间的通信内容。在车载网络中，中间人攻击通常发生在网关或交换机层面，攻击者通过ARP欺骗、DNS劫持或物理接入等方式，将流量重定向到自己的设备。

中间人攻击在车载环境中的典型场景包括：

• 网关中间人：攻击者在CAN与以太网网关之间插入恶意设备，拦截并修改跨域通信消息。例如，修改从ADAS域发送到制动域的目标减速度消息，导致制动距离异常。
• OTA中间人：攻击者在车辆与OTA服务器之间建立代理，拦截固件下载请求并返回恶意固件包。这要求OTA通信使用TLS等加密协议，并验证服务器证书的真实性。
• 诊断中间人：攻击者在诊断仪与ECU之间插入设备，修改诊断请求和响应，绕过安全访问控制。

防御中间人攻击需要结合多种机制：

• 消息认证：即使攻击者能够拦截和转发消息，也无法伪造有效的MAC，因为攻击者不知道共享密钥。
• 通信加密：使用TLS/IPsec等协议加密通信内容，使攻击者无法读取或修改消息内容。
• 网络隔离：通过VLAN或防火墙将不同安全域的网络隔离，限制攻击者的横向移动。

3.3 安全需求分析：从威胁到防护的映射

3.3.1 STRIDE 威胁建模方法

STRIDE是微软提出的威胁建模方法，将威胁分为六类：Spoofing（伪装）、Tampering（篡改）、Repudiation（抵赖）、Information Disclosure（信息泄露）、Denial of Service（拒绝服务）、Elevation of Privilege（权限提升）。在汽车信息安全领域，STRIDE同样适用，但需要结合车载网络的特点进行调整。

在应用STRIDE时，需要为每个攻击面（CAN、以太网、诊断、OTA）分别建立威胁模型，识别可能面临的STRIDE威胁，并评估其风险等级（通常使用DREAD模型：Damage potential, Reproducibility, Exploitability, Affected users, Discoverability）。

3.3.2 攻击树分析与安全需求导出

攻击树（Attack Tree）是一种结构化的威胁分析方法，以攻击目标为根节点，以攻击步骤为子节点，逐层分解攻击路径。攻击树可以帮助安全工程师系统地识别所有可能的攻击路径，并针对每条路径制定相应的防护措施。

以“通过CAN总线控制制动系统”为攻击目标，可以构建如下攻击树：

1. 目标：控制制动系统
   • 1.1 物理接入CAN总线
     • 1.1.1 通过OBD-II端口接入
     • 1.1.2 拆解车辆直接接入线束
   • 1.2 远程接入CAN总线
     • 1.2.1 攻破T-Box远程接口
     • 1.2.2 攻破信息娱乐系统Wi-Fi/蓝牙
   • 1.3 伪造制动控制消息
     • 1.3.1 获取消息ID和数据结构（逆向工程）
     • 1.3.2 获取SecOC密钥（攻击HSM或密钥管理流程）
   • 1.4 绕过SecOC认证
     • 1.4.1 重放合法消息（需要新鲜度值防护）
     • 1.4.2 利用密钥泄露（需要密钥轮换）

基于攻击树，可以导出以下安全需求：

• 需求1：物理访问控制——OBD-II端口应具备访问认证机制，防止未授权物理接入。
• 需求2：远程接口最小化——T-Box和信息娱乐系统的远程接口应最小化暴露面，关闭不必要的端口和服务。
• 需求3：消息认证——所有制动相关消息必须使用SecOC进行MAC认证，确保消息的真实性和完整性。
• 需求4：密钥保护——SecOC密钥必须存储在HSM中，且具备密钥轮换机制，防止密钥长期使用带来的泄露风险。
• 需求5：新鲜度验证——所有SecOC消息必须携带新鲜度值，接收方验证新鲜度值以防止重放攻击。

3.3.3 安全需求到AUTOSAR架构的映射

在AUTOSAR架构中，上述安全需求可以映射到具体的模块和配置：