Система и способ обнаружения несанкционированно подключенных устройств в транспортном средстве
SYSTEM AND METHOD OF DETECTING UNAUTHORIZED CONNECTED DEVICES IN A VEHICLE

Настоящее изобретение относится к области обеспечения безопасности транспортных средств, а именно к системе и способу обнаружения подключения несанкционированных устройств.
В современных транспортных средствах появляется все больше новых интеллектуальных систем. Также происходит автоматизация существующих систем, таких как: управление движением, система комфорта, тормозная система, круиз-контроль, управление светом фар и т.д. В данных системах обмен информацией между датчиками, устройствами и системами происходит через электрическую шину передачи данных и управления (далее - шина или электрическая шина). Количество передаваемых данных увеличивается, что позволяет злоумышленнику при несанкционированном подключении к такой шине получить доступ к управлению транспортного средства, а также самой шины. Например, злоумышленник без труда может осуществить: вывод из строя электрической шины или выполнение нештатных сценариев для транспортного средства (отключение света фар, срабатывание подушек безопасности, отключение тормозов и т.д.).
Причиной таких атак является аппаратная уязвимость электрической шины управления и передачи данных. Комплекс мер по защите, информированию, а также устранению таких атак относится к обеспечению информационной безопасности современных транспортных средств.
Предлагаемое изобретение позволяет определять и фиксировать несанкционированно установленные устройства непосредственно на электрических шинах с целью предотвращения различных атак.
Из уровня техники известна охранная система для транспортных средств (см. http://www.igla-systems.ru/katalog/immobilajzery/igla-pro), представляющая собой иммобилайзер с цифровой блокировкой по шинам LIN и CAN. Блокировка двигателя при несанкционированном доступе осуществляется по штатной проводке автомобиля, а именно по цифровым шинам CAN/LIN. Иммобилайзер передает соответствующую команду, после чего двигатель останавливается.
Описанное решение предназначено только для решения проблемы угона транспортного средства, однако не решает вопросов обеспечения кибербезопасности информационных систем автомобиля, а как следствие и безопасность людей. Несанкционированно установленное устройство может быть использовано с целью нанесения вреда водителю, пассажирам, пешеходам (например: отключение ближнего/дальнего света фар при движении в темное время суток, срабатывание подушек безопасности, отключение тормозной системы и т.д.).
Известна также разработка израильской компании Argus (см. https://argus-sec.com/argus-ecu-protection/), для обеспечения безопасности информационной сети транспортного средства путем обнаружения атак, подозрительной активности и изменений в стандартном поведении сети автомобиля. Установленная система в транспортном средстве предназначена для мониторинга сетевой активности, анализа и ликвидации атаки.
Однако, данная система работает на протокольном уровне и не имеет возможности определения несанкционированно установленных устройств на электрической шине. Факт угрозы может быть установлен только в момент исполнения команды. Данное решение не может считаться полноценным гарантом решения вопросов кибербезопасности информационных систем транспортных средств. А именно, данное решение не может учесть всех алгоритмов атак, а также требует от производителя постоянной поддержки в части усовершенствовании алгоритмов, в том числе адаптация устройства к каждой отдельной информационной системе транспортного средства.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является система и способ для обеспечения защиты электронных систем транспортных средств, описанных в патенте US9881165 В2, опубл. 30.01.2018. В состав данной системы входит устройство. Данное устройство устанавливается между информационной шиной и электронным блоком управления (ЭБУ). В состав устройства входят следующие функциональные блоки:
- блок приема сообщений (мониторинг сообщений между шиной и электронным блоком управления ЭБУ);
- блок анализа сообщений (определение факта несанкционированных команд, на основании установленных правил);
- блок передачи сообщений (пересылка правомерных команд в электронный блок управления ЭБУ).
Данная система представляет собой устройство, которое предназначено для реализации некоторых функций аппаратного Firewall. В следствии своей структуры и назначения, данной системе присущи такие же недостатки, как и описанной выше. А именно:
- факт несанкционированного воздействия может быть определен только в момент выставления команд;
- требует от производителя постоянных работ по усовершенствованию алгоритмов и встроенного программного обеспечения; одно устройство системы используется для обеспечения кибербезопасности только одного электронного блока управления ЭБУ;
- не позволяет определять факты подмены штатных электронных устройств на информационной шине, в том числе и установка новых.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение максимально точного результата в определении и фиксировании несанкционированно установленных устройств на электрической шине. Настоящее изобретение, а, следовательно, и система устраняет все вышеуказанные недостатки существующих систем:
- несанкционированно установленное устройство на электрической шине может быть определено до момента его работы такой шины;
- позволяет определять факт замены существующих устройств на электрической шине транспортного средства;
- позволяет определять факт установки новых устройств на информационной шине транспортного средства;
- не требует последующих работ по усовершенствованию алгоритмов работы;
- является универсальным для информационных шин любого транспортного средства и производителя;
- может быть установлено практически на любой тип электрических шин, используемых в современных транспортных средствах;
- имеет средства отображения и архивирования информации, настройки.
Техническим результатом изобретения является повышение точности обнаружения несанкционированно подключенных устройств.
Заявленный технический результат в части системы достигается за счет того, что система обнаружения несанкционированно подключенных устройств в транспортном средстве содержит по меньшей мере одно электронное устройство транспортного средства, подключенное через электрическую шину к модулю обнаружения несанкционированных устройств, состоящего из блока измерений, аналого-цифрового преобразователя, блока цифровой обработки сигнала, блока буфера, блока компаратора, при этом блок измерений и аналого-цифровой преобразователь выполнены с возможностью получения параметров электрического сигнала электрической шины в первый и во второй промежуток времени, в блоке цифровой обработки сигнала осуществляется обработка и построение спектра сигнала, блок буфера предназначен для хранения полученных данных сигнала, а в блоке компаратора выполняется сравнение спектров сигналов полученных в первый и во второй промежуток времени путем анализа спектральных составляющих электрических сигналов.
Заявленный технический результат в части способа достигается за счет того, что способ обнаружения несанкционированно подключенных устройств в транспортном средстве включает в себя:
получение параметров электрического сигнала электрической шины в первый и во второй промежуток времени,
обработку и построение спектров полученных сигналов,
установку сигнала, полученного в первый промежуток времени, в качестве порогового,
сравнение суммарных сигналов, полученных в первый и во второй промежуток времени путем анализа спектральных составляющих электрических сигналов.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1а иллюстрирует типовую топологию электрической шины управления и передачи данных транспортного средства;
Фиг. 1b показывает вариант несанкционированного подключения устройства к электрической шине управления и передачи данных транспортного средства;
Фиг. 2а иллюстрирует общий вид системы обнаружения несанкционированно подключенных устройств;
Фиг. 2b иллюстрирует общую функциональная схему модуля обнаружения несанкционированных устройств;
Фиг. 3 показывает вид временной характеристики не идеального искаженного прямоугольного импульса на электрической шине транспортного средства;
Фиг. 4 показывает спектральную характеристику сигнала при 2х подключенных модулях на электрической шине CAN;
Фиг. 5 показывает спектральную характеристику сигнала при 3х подключенных модулях на электрической шине CAN;
Фиг. 6 иллюстрирует математическую модель, созданную для выполнения работ по моделирования различного рода и типа сигналов на электрической шине транспортного средства;
Фиг. 7 показывает полученный вид спектральной характеристики сигнала одиночного прямоугольного импульса длительности τ;
Фиг. 8 показывает полученный вид спектральной характеристики сигнала периодического прямоугольного импульса со скважностью 5 (Т=5τ);
Фиг. 9 показывает вид периодического сигнала и его вид после дифференцирования (утолщенная линия);
Фиг. 10 показывает полученный вид спектральной характеристики продифференцированного периодического прямоугольного сигнала со скважностью 5 (Т=5τ);
Фиг. 11 иллюстрирует временную характеристику цифровой последовательности данных на электрической шине транспортного средства (идеальная модель без внесения искажений);
Фиг. 12 иллюстрирует вид спектральной характеристики цифровой последовательности данных на электрической шине транспортного средства (идеальная модель);
Фиг. 13 иллюстрирует временную характеристику цифровой последовательности данных на электрической шине транспортного средства с искажениями малой амплитуды;
Фиг. 14 иллюстрирует вид спектральной характеристики цифровой последовательности данных на электрической шине транспортного средства с искажениями малой амплитуды;
Фиг. 15 иллюстрирует временную характеристику цифровой последовательности данных на электрической шине транспортного средства с искажениями средней амплитуды;
Фиг. 16 иллюстрирует вид спектральной характеристики цифровой последовательности данных на электрической шине транспортного средства с искажениями средней амплитуды;
На фиг. 1а представлена типовая топология электрической шины управления и передачи данных транспортного средства. Тип электрической шины 121 может быть любым (CAN, LIN, Ethernet и т.д.). Количество электронных устройств 101, 102, 103 в транспортном средстве не определено и может составлять десятки единиц. Каждое устройство подключается к шине отдельным электрическим проводником 111, 112, 113. Обмен информацией между электронными устройствами выполняется по определенным правилам (цифровым протоколам). Электрических шин в транспортном средстве может быть несколько, соответственно обмен данными между модулями на каждой шине может выполняться по своему стандарту (протоколу).
Электрическая шина управления и передачи данных транспортного средства представляет собой электрическое соединение множество электронных устройств (ECU). В данной заявке под электронным устройством транспортного средства понимается любое электронное устройство, например, устройство управления двигателем, устройство управления коробки переключения передач, устройство управления тормозной системой (в том числе ABS/ESC), устройство информационно-развлекательной системы, устройство системы телеметрии и др. Каждый из которых имеет свое функциональное назначение.
На фиг. 1b отображен вариант атаки на электрическую шину управления и передачи данных транспортного средства посредством подключения несанкционированного устройства 131. На представленной схеме изображена уязвимость, когда злоумышленник выполнил подключение 141 к электрической шине 121 к которой подключены несколько электронных устройств 101, 102, 103.
При таком подключении злоумышленник имеет полный доступ к электрической шине и соответственно может управлять всеми электронными устройствами транспортного средства.
На фиг. 2а представлен общий вид системы обнаружения несанкционированно подключенных устройств. Система содержит электрические шины 121, 321 подключенные через проводники 111, 112, 113, 311, 312, 313 к электронным устройствам 101, 102, 103, 301, 302, 303 транспортного средства. Стандартная конфигурация шины данных автомобиля включает в себя множество различных по типу и назначению устройств. В качестве электронных компонентов (через которые выполняется подключение к электрической шине) внутри модуля обычно применяются микросхемы-драйверы. Данные микросхемы имеют эквивалентные значения физических параметров выходных цепей.
Микросхема-драйвер представляет собой цифроаналоговый элемент, выполняющий преобразование цифровой последовательности бит данных в электрический сигнал с заданными характеристиками, а также предназначена для согласования импедансов.
Каждая электрическая шина транспортного средства характеризуется рядом физических параметров, таких как реактивное сопротивление, активное сопротивление, напряжения доминантного и рецессивного состояния шины, средний и максимальный ток потребления, скорость работы шины, скважность импульсов и др. Каждая микросхема-драйвер, при подключении к электрической шине управления и передачи данных транспортного средства, вносит изменения в электрические параметры шины.
Для обнаружения подключенного несанкционированного устройства 131 на электрических шинах используется метод спектрального анализа. Указанный метод обеспечивает более высокую точность обнаружения несанкционированно подключенных устройств в сравнении с методом регистрации физических параметров (за счет применения алгоритмов цифровой обработки сигналов, в отличии от методов, обусловленных применением аналоговой обработки сигнала). Данный способ обеспечивает фиксацию в момент обмена сообщений по электрической шине (активное состояние шины).
Реализация алгоритмов обнаружения несанкционированных устройств методом спектрального анализа выполняется в отдельном модуле 401. Данный модуль может быть подключен к одной или нескольким электрическим шинам 121, 321. Подключение выполняется отдельными линиями проводниками 411, 412.
Способ обнаружения подключенных несанкционированных устройств включает в себя получение параметров электрического сигнала в первый и во второй промежуток времени. Первым промежутком времени обычно является момент покупки автомобиля или момент прохождения технического осмотра, или же любой другой момент времени. Вторым промежутком времени является любой момент времени, который устанавливается пользователем транспортного средства или через определенный интервал времени (один день, одна неделя, один месяц) от первого промежутка времени.
Работа системы состоит из трех основных этапов:
- измерение параметров электрического сигнала в первый и во второй момент времени с последующим построением спектра электрического сигнала. При этом спектр электрического сигнала в первый момент времени устанавливается в качестве порогового на основе которого происходит сравнение с полученным во второй промежуток времени;
- сравнение спектра сигнала во второй момент времени со спектром сигнала в первый момент времени для выявления несанкционированно установленных устройств на электрической шине транспортного средства;
- представление соответствующей информации пользователю.
Первые два этапа осуществляются в модуле 401. Третий этап реализуется модулем 501 отображения (фиг. 2а).
На фиг. 2b представлена общая функциональная схема модуля обнаружения несанкционированных устройств. Модуль 401 состоит из следующих составных частей: блок регистрации измерений и аналого-цифрового преобразования (АЦП) 601; блок 602 цифровой обработки сигналов (ЦОС); блок 603 буфера; блок 604 компаратора; блок 605 драйвера интерфейса связи; блок 610 управления. В зависимости от исполнения модуля 401, данные блоки могут быть реализованы как программным способом, так и иметь аппаратную реализацию. Модуль измерений и АЦП 601 выполняет функцию фиксации измерений с установленной частотой дискретизации, оцифровку значений и передачу в блок ЦОС 602. В блоке ЦОС выполняется обработка, фильтрация текущих измерений и построение спектра в частотной области для текущего измерения. Далее полученные данные сохраняются в блоке 603 буфера в соответствующих ячейках памяти, относительно того, какое измерение было выполнено (а именно в первоначальный момент времени или последующее измерение). В блоке 604 компаратора выполняется сравнение последующих измерений с измерением, выполненным в начальный момент времени. Все алгоритмы пересылки и арбитраж выполняется по командам блока 610 управления. Блок 605 драйвера интерфейса связи предназначен для интерпретации в соответствующем стандарте или протоколе данных и выдача в канал связи. Все блоки модуля 401 имеют возможность регулирования настроечных параметров.
В качестве модуля 501 отображения может выступать любое устройство, которое имеет человеко-машинный интерфейс ЧМИ (смартфон, переносной или персональный компьютер, информационно-развлекательная система транспортного средства, сервер и т.д.). Передаваемая информация может быть выведена на экран для отображения, архивирована, также может быть использована для дальнейшей обработки.
В качестве канала передачи данных между устройством 401 и модулем 501 отображения может выступать любой интерфейс или протокол связи (WIFI, Bluetooth, радиоканала, проводные интерфейсы (CAN, Ethernet, RS485) и т.д.).
Далее представлено описание способа анализа спектральных характеристик электрической шины для определения факта наличия несанкционированно установленных устройств на примере анализа реактивного сопротивления электрической шины.
Например, увеличение реактивного сопротивления электрической шины, ведет к искажению прямоугольной формы сигнала. Это происходит из-за возрастания влияния переходных процессов. Природа переходных процессов любой цепи (в нашем случае электрической шины) зависит от интегродифференциальных свойств реактивной компоненты сопротивления. Дифференциальные свойства электрической шины приводят к искажению сигнала прямоугольной формы, добавляя к нему пики на фронтах (положительный - на переднем, отрицательный - на заднем). Основное влияние на дифференциальные свойства электрической шины оказывает емкостная составляющая реактивного сопротивления.
Таким образом, чем выше емкостная составляющая, тем выше амплитуда пиков на фронтах импульса. Следовательно, наблюдается прямая зависимость между количеством подключенных электронных устройств, включающими в себя физические микросхемы-драйверы к электрической шине транспортного средства и формой электрического сигнала при передаче данных. А именно, чем больше подключенных устройств, тем выше амплитуда пика на фронтах. При замене или подмене электронных устройств транспортного средства, также изменяются указанные выше параметры из-за неоднородности характеристик микросхем-драйверов.
С точки зрения спектрального анализа, увеличение амплитуды пика говорит о перераспределении энергетики сигнала из более низкочастотной области спектра в более высокочастотную область. Спектральный анализ электрической шины транспортного средства производится с целью определения измерения общего реактивного сопротивления электрической шины. Измерение указанного значения, построение временных трендов, сравнение с предустановленными показателями позволяет делать выводы о типе, конфигурации нагрузок, количестве устройств на электрической шине, отклонение от константных значений. Метод спектрального анализа может быть применен в момент активного состояния электрической шины транспортного средства, т.е. в момент обмена данными между устройствами.
Данные в электрической шине транспортного средства передаются в виде цифровых последовательностей, которые на уровне сигналов имеют форму меандра (последовательные прямоугольные импульсы). При различных резистивных параметрах электрической шины форма сигнала искажается и становится отличной от прямоугольной.
И
Ф
СР
На фиг. 3 показана временная характеристика не идеальной формы прямоугольного импульса, где: τ - длина импульса; τ - длина фронта импульса; τ - длина среза импульса. На передних фронтах импульса формируются выбросы (b1), а на задних - завалы (b2). Анализ длительности и амплитуды этих выбросов и завалов дает возможность для расчета общего реактивного сопротивления электрической шины. Для выполнения анализа выбросов и завалов цифрового сигнала на электрической шине транспортного средства во временной области необходимо иметь аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с высокой частотой дискретизации (>200 МГц) и соответственно высокой производительности микропроцессор.
В данном решении, предлагается оценивать изменения сигнала во времени в спектральной области. Данный подход применяется для анализа сигналов, имеющих периодический характер.
Цифровой сигнал в электрической шине транспортного средства имеет характеристику, приближенную к периодической, поэтому имея более низкую частоту дискретизации АЦП (десятки МГц) можно фиксировать изменения фронтов сигнала. Для этого необходимо произвести накопление отсчетов во времени (в первый и второй промежутки времени), а затем выполнить их анализ в частотной области. Суть анализа спектра сигнала заключается в измерении и сравнении амплитудных значений высокочастотной части спектра. Чем более искаженную форму имеет цифровой сигнал, тем выше амплитуда высокочастотного спектра.
На фиг. 4 и 5 представлены две спектральные характеристики сигналов в два разных промежутка времени. В первом случае при подключении 2х модулей к электрической шине CAN в первый промежуток времени, а во втором при подключении 3х модулей во второй промежуток времени. При сравнении представленных спектральных характеристик, четко видны отличия в формах.
Для теоретического обоснования описанных ранее утверждений будем использовать метод математического моделирования. Будет создана модель электрического сигнала, а затем на ней смоделированы разного рода сигналы и выполнен анализ получаемых спектральных характеристик.
На фиг. 6 представлена математическая модель, которая может быть использована для моделирования сигнала на электрической шине транспортного средства. В качестве входных воздействий на модель могут быть использован или блок 201 генератора импульсов или блок 202 формирования случайного сигнала. Далее сигнал подается на блок 203 аналого-цифрового преобразователя и блок 204 формирования знака. Для формирования реального сигнала, а именно добавление завалов, выбросов с различными характеристиками необходимо пропустить сигнал через блок 205 дифференциатора, блок 207 усилителя, блок 206 интегратора, а также сумматор 208. Для построения спектра сформированного сигнала необходимо выполнить его цифровую обработку. Для это будем использовать блок 209 фильтра низких частот (ФНЧ), блок 210 буфера, блок 211 быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок 212 вычислитель модуля. Для построение амплитудной зависимости от времени применяем осциллограф 221. А для построения спектра сигнала -осциллограф 222.
Так как электрический сигнал в шине представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов, то форма его спектра будет описываться следующей формулой:
где: m - номер отсчета сигнала во временной области при дискретном преобразовании Фурье;
Х(m) - спектр сигнала При исследовании спектра периодического прямоугольного сигнала, будем пользоваться следующими присущими ему свойствами:
- если τ это значение длительности прямоугольного импульса, то лепестки спектра буду располагаться в промежутках 1/τ. А в точках n/τ спектр будет принимать нулевое значение, (n - натуральное число) (см. фиг. 7);
- если принять значение периода импульса Т, то отсчеты спектра будут располагаться через каждые 1/Т промежутка;
На фиг. 8 представлена спектральная характеристика сигнала периодического прямоугольного импульса со скважностью 5 (Т=5τ). Пользуясь свойствами описанными выше, можно сделать вывод, что в каждом лепестке в промежутке частот (n/τ; (n+1)/τ) расположено по четыре частотных отсчета, отстоящие друг от друга на частоту 1/5τ.
На фиг. 9 представлена временная характеристика периодического прямоугольного сигнала, а также продифференцированный (утолщенная линия) со скважностью 5 (Т=5τ). Отчетливо виден набор импульсов в местах переднего и заднего фронтов.
При сравнении спектров прямоугольного периодического сигнала и его продифференцированной последовательности, видно, что они совпадают по расположению частотных выборок, но сильно отличаются по их амплитудному распределению. Это происходит за счет того, что на передних и задних фронтах присутствует дополнительный набор импульсов. Спектр прямоугольного периодического сигнала имеет основную энергетику в первом лепестке на частотах (0;1/τ) (см. фиг. 8).
Спектр продифференцированного периодического сигнала напротив имеет более равномерно распределяет энергетику между первыми лепестками (см. фиг. 10). За счет того, что на передних и задних фронтах периодического сигнала присутствует дополнительный набор импульсов. Учитывая линейность частотного преобразования Фурье, то при сложении прямоугольного периодического сигнала и его продифференцированной последовательности, их спектры будут суммироваться, таким образом, результирующий спектр будет иметь возросшие гармоники высшего порядка по отношению к основному лепестку. Таким образом, чем сильнее проявлены дифференцирующие свойства электрической шины, за счет емкостной составляющей реактивного сопротивления, тем ниже соотношение основного лепестка спектра к боковым.
На фиг. 11 показана временная характеристика цифровой последовательности данных на электрической шине транспортного средства (идеальная модель). Данные сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов случайной длительности и периода. Изменение их по времени происходит с дискретностью Δ (длительность одного бита данных). Спектральная характеристика такого сигнала представляет собой суперпозицию частотных отсчетов на частотах 1/nΔ, где n - натуральное число [2; 10] (рисунок 12), 11 - это число бит при максимальной возможной последовательности без битстаффинга (5 доминантных и 5 рецессивных бит). Амплитудное распределение частот будет стремиться к форме прямоугольного сигнала с минимумами в точках n/Δ. Как было показано ранее, при добавлении к прямоугольному периодическому сигналу его продифференцированной составляющей, спектр изменяется за счет перераспределения энергетики главного лепестка в побочные, такая же закономерность наблюдается и при случайной длительности и периоде прямоугольного периодического сигнала.
На фиг. 13 приведена временная характеристика цифровой последовательности данных на электрической шине с искажениями в форме продифференцированной и интегрированной добавки малой амплитуды к основному сигналу. На фиг. 14 показана спектральная характеристика такого сигнала
На фиг. 15 сигнал (цифровая последовательность) имеет искажения большей амплитуды. На фиг. 16 показана спектральная характеристика такого сигнала. При сравнении двух осциллограмм (фиг. 13 и 15), а также их спектральных характеристик (фиг. 14 и 16) можно сделать вывод, что имеются различия в сторону увеличения значения высокочастотных составляющих при искажениях большей амплитуды.
Анализ спектральных характеристик электрического сигнала производится сравнением соотношения энергетики главного лепестка к суммарной энергетике боковых лепестков спектра, и наблюдением за изменением этого соотношения во времени. Если соотношение изменятся в сторону увеличения, то от шины данных было отключено устройство, если соотношение уменьшается, то к шине данных было подключено новое устройство. Также указанная особенность наблюдается при замене электронного модуля транспортного средства на электрической шине, за счет того, что микросхемы-драйвера имеют неодинаковые электрические характеристики.