联网汽车的网络安全(二): V2X网络安全问题和解决方案

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V2X通信就像人的听觉

汽车V2X通信等同于人类五感的“听觉”。也就是说，车辆从其他车辆或者基础设施”听取”消息。这样，驾驶员不需要用眼睛看，就可以获取周围的环境信息。

例如，在驾驶员无法直接确认的情况下，前方的两个或三个车辆在制动的时候可以自动通过V2V通信通知其他车辆，收到通知的汽车驾驶员，即使看不到正在刹车的汽车，如果能对这些信息作出适当的反馈，也有充分的时间提前做好制动的准备。

另外，通过基础设施，检测到交叉路口横穿马路的行人，可以通过V2I发送消息给准备左转或者右转的车辆。

V2X通信随着自动驾驶技术的实用化，将会发挥越来越重要的作用。高级自动驾驶汽车可以根据V2X信息，自动采取制动措施。

所以，V2X通信对安全的要求是显而易见的。如果攻击者每天都在不断的发伪消息，驾驶员就不再相信V2X通讯的内容，忽略各种警告，就会导致没有注意到正确的警告信息而发生事故。

在自动驾驶的情况下，使用V2X通讯网络攻击云端服务器则是更危险的。因为汽车是按照V2X通信的内容判断行驶路线的，攻击者使用伪消息误导车辆发生误判是非常有效的。可以影响车辆的自动制动和自动停车功能。这将触发交通事故，给车辆的乘员安全造成严重后果。

<图片来源：美国交通运输省>

因而，从外部来看，这些外部信息可以威胁到车辆的安全，V2X通信的安全是必要的。

另外一个关注点是，从驾驶员的角度看，V2X通信有可能带来隐私权被侵犯的问题。含有个人信息的消息从车辆发送到外部时，很容易被跟踪，对驾驶员来说是很严重的隐私问题。

基于PRESERVE的研究结果持续开发

从2011持续到2014年年底的欧盟研究项目—PRESERVE(Preparing Secure V2X Communication Systems)引起了国际关注。该项目的目的是研究车辆的无线通信，也就是V2X通信的安全问题及有效的解决方案。

项目除了对V2X网络安全做了基础研究之外，还研究了网络安全的实现，试验和导入方法。所以业内普遍期待PRESERVE的研究成果能实现市场化。

PRESERVE的研究主题包含了消息处理相关的安全软件堆栈，加密加速器，实现安全密钥硬件存储的ASIC，公钥基础设施相应的安全后端等。

美国和欧洲正在验证PRESERVE的安全解决方案的可扩展性和可行性。

PRESERVE的研究结果也对IEEE 1609.2，ETSI TS(EuropeanTelecommunications Standards Institute Technical Specification)103 097等国际标准的发展做出了重要贡献。

IEEE 1609.2的“Wireless Access in Vehicular Environments(WAVE)-Security Services for Applications and Management Messages”标准已经成为V2X通信中应用和管理信息的安全服务，定义了安全信息的格式。美国的V2X通信以IEEE 1609.2为基准，欧洲则以ETSI TS 103 097为基准。ETSI TS 103 097描述了ITS系统通信相关的安全标头和证书格式。

2种被采用的证书

 确保V2X通信安全的系统要满足以下两个条件，

• 确认消息来自合法的发送设备

• 确认消息传输过程中没有被修改

在PKI解决方案的应用方面，如果将受信任的证书颁发机构(CA：CertificateAuthority)作为信任锚，各个执行V2X通信的设备则可以从CA获取证书和秘钥。

例如，有一辆汽车向其他车辆发送消息，我们考虑两台通信设备之间的数据交换。送信端的V2X设备为了确保信息的完整性和可靠性，会添加电子签名，CA会给消息发放相应的证书和秘钥。接收端的V2X设备会验证收到的证书是否是CA发行的，还会使用证书中的公钥对收到的消息的可靠性进行验证。

 

采用这种方法，可以满足之前提到的两个要求。但是如果V2X通信设备一直使用相同的秘钥，并被黑客跟踪到，那么也可能带来隐私侵犯或者云端攻击的危险。为了避免这种情况发生，一般采用永久证书和化名证书两种证书的处理方式。

化名证书的发放机制

使用两种证书则意味着要使用两个CA。永久CA(LTCA)和化名CA(PCA)。永久证书是V2X设备永久使用的ID，一般到V2X设备报废为止，只发放一次LTCA。

一方面，在LTCA给V2X设备认证通过并发放永久证书后，PCA可以给该设备发放多个化名证书。V2X设备之间通信时使用化名证书。因为一台设备有多个化名证书，隔一段时间就可以更换证书。这样跟踪通信内容就变得很困难，可以起到保护隐私安全的作用。

化名证书也不是一直持续使用，用过一段时间以后，V2X设备可以请求发放新的化名证书。发出请求的时候要使用永久证书和公钥加密。因为PCA无法解密加密的部分，所以请求设备的永久ID无法被获取。

然后PCA将请求发送给LTCA，LTCA使用秘钥解密该请求，并确认永久证书，判断是否可以给该V2X设备发放化名证书。

但是，因为PCA不向LTCA提供化名证书信息，LTCA不能获取目前与该永久证书相关联的化名证书的信息，只判断是否允许发放化名证书，并将判断结果发送给PCA。在获得许可的情况下，由PCA向V2X设备发放化名证书。　

当然，LTCA并不知道哪个V2X设备是否发放了化名证书，仅仅通过CA无法知道永久证书和化名证书的关联性，这样V2X设备的隐私安全就得到了保护。

考虑到通信负荷，硬件基础很重要

采用这种机制确保网络安全的话，要满足多个要求。比如，化名证书需要有多个。现在考虑一周20到40个化名证书(为了减少V2X设备被跟踪的时间，在一定时间内顺序使用20-40个化名证书)。

结果，一年要使用1000-2000个化名证书。这些证书要在通信设备中保存，需要基于安全硬件的特殊的存储(保管秘钥和证书的数据库)来保护这些信息。

另外，V2X通信中，在进行与安全相关的通信时，对性能要求极高。现在的规范中，一秒钟大约要处理200-400帧(相当于一台车向周围的20-40台车每秒各发送10帧)数据。当然，实际情况可能跟主机厂的设计有关。

V2X通信设备的签名认证处理过程负荷更大，如果单单使用普通计算机软件处理，花费的时间较多，通信延迟太长会给通信设备造成瓶颈。为了避免这种情况，需要在特殊的安全硬件基础上，采用加密加速器。

总之，对于V2X通信设备的硬件，拥有安全的秘钥存储和基于硬件的加密加速器是必要的。

标签：网络安全,证书,解决方案,CA,V2X,化名,通信,设备
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