近幾年，隨著云和物聯網技術的快速發展，汽車領域也發生著深刻的變革。各廠商為汽車提供了更加智能化的功能，如手機鑰匙、語音控制和尋車等，但是隨之而來的安全問題也更為突出。例如在電影《速度與激情 8》中，黑客可以在任意地點觸發攻擊，惡意控制大量汽車在街道上肆意橫行。作為觀眾的我們不經產生一個疑問：這種遠程遙控汽車是導演的天馬行空，還是真實存在于現實世界中？為了解答這個問題，本文將揭示針對智能網聯汽車的新型攻擊范式，以 2 個真實案例進行分析，并提出緩解措施。
一、車聯網架構和安全特性
1. 車聯網架構
隨著萬物互聯時代到來，車聯網已經廣泛應用于現代車輛。基于云、5G 和消息隊列通信等技術，智能網聯汽車具備手機鑰匙、語音控制和智慧投屏等功能。例如，用戶即使沒有帶鑰匙，也可以通過手機控制車門和車窗，這些智能化功能方便了人們的生活和出行。作為支撐汽車智能化的技術架構如圖 1 所示，“用戶<->云<->汽車”，用戶利用手機應用程序，通過藍牙和 Wi-Fi 等近場通信協議與車載通信模塊（T-Box）和中控主機進行數據交互，實現智慧投屏等功能。或者通過蜂窩網絡與云側通信，以此突破地理的限制。云側則與車載T-Box 進行數據交互，采用機器對機器（Machine toMachine，M2M）技術通信模式，維持雙工通信隧道，以此增加時效性。
圖 1 車聯網架構
2. 車聯網安全特性
與此同時，車輛豐富的功能和通信方式也讓其智能化“外溢”，產生了新的安全風險，增加了更多的攻擊面，近場無線通信的汽車終端或者在互聯網種的云平臺都成為攻擊者的目標。車聯網安全可分為空間和時間兩條線。
空間上，依照車聯網架構可以分為用戶側、云側和車側安全。
用戶側安全。 智能網聯汽車提供了豐富的交互功能，這對于用戶而言，主要通以手機應用作為交互對象，這就可能存在 App 安全問題，例如，個人隱私泄露、二次打包和登錄驗證缺陷等漏洞。
云側安全。云技術的使用增強智能網聯汽車適用范圍，讓查找車的位置和遠程開啟空調等功能成為可能。但云平臺也存在各類安全問題，比如傳統的 Web 安全問題，SQL 注入、XSS 漏洞和邏輯漏洞等，也會增加安全風險，攻擊者只需通過云側問題攻擊車輛，降低了攻擊成本，增加了攻擊范圍。
車側安全。智能網聯汽車包括各類終端，如T-Box、中控主機和行車記錄儀等。終端包含了豐富通信方式，也存在各類安全風險，比如命令執行和緩沖區溢出等漏洞。
時間上， 從攻擊者的角度審視汽車技術變革對車聯網安全帶來的影響，可將汽車技術的發展分為以下三個階段：
傳統汽車。其影音娛樂系統智能化程度不高，攻擊者一般通過影音娛樂系統的 USB 接口和車載OBD 接口作為攻擊點，這種攻擊方式通常需要攻擊者物理接觸汽車。
智能網聯汽車。為了方便用戶的使用，汽車采用 WiFi、藍牙和蜂窩網絡等通信方式，加強與用戶的交互，并且增加了中控和 T-Box 等計算單元。對于攻擊來說，攻擊面進一步擴大，可以通過近場無線或遠程的方式進行攻擊。
自動駕駛。自動駕駛技術的發展打破了機械控制的隔離，可以通過 CAN 總線或者以太網等通信方式來控制油門等，讓攻擊者有了操控汽車的技術可能性。
汽車作為復雜系統的集合，自身各種 ECU 通過 CAN 總線串連起來，隨著汽車智能化發展，車載以太網也被用于車內設備間通信技術，比如特斯拉的車身，包含有以太網和各種CAN 總線，通過車載網關讓各種網絡技術進行通信。因此，對于攻擊者來說，攻擊向量主要是通過車聯網終端，再進一步滲透車輛內部網絡，形成完整的攻擊鏈。綜上所述，智能網聯汽車存在被遠程遙控的可能性，這也回復了本文開篇提出的問題。
二、“空中跳躍”攻擊范式
通過對車聯網架構研究可以看出，遠程遙控汽車在技術上存在可能性。隨著汽車功能業務邏輯逐漸向云轉移，與云結合的安全問題日益突出。以往的研究大多是將云和設備的問題分割開來獨立分析，忽略了車側和云側之間的相互影響。下文將揭示車聯網安全中的新型攻擊范式——“空中跳躍”，展示攻擊者如何遠程攻擊或控制汽車。
1. 消息隊列協議通信
在智能網聯車應用中，大量采用消息隊列通信技術，比如消息通知、遠程控制、位置推送和 OTA 更新等。消息隊列協議允許應用程序通過云端服務中轉通信，并且消息隊列會在應用程序未連接的時候臨時存儲消息，等待設備在線后發送，以保證設備不在線時消息數據不丟失。常見的消息隊列協議包括 MQTT、AMQP、STOMP 等。由于 MQTT 協議輕量級的特點，在車聯網領域有著廣泛的應用場景。
消息隊列協議通常為三方通信協議。首先，消息的訂閱者向消息隊列服務訂閱消息，告訴服務自己感興趣的消息主題，消息隊列服務會監聽并等待接收該主題所對應的消息；之后，消息的發布者將該主題所對應的消息發布至消息隊列服務；最后，消息隊列服務會根據消息主題，將此消息轉發至對應的訂閱者，訂閱者收到消息，解析并處理。
2. “空中跳躍”攻擊范式
在這個應用場景中，存在一種結合云和設備（車）的攻擊范式——“空中跳躍”攻擊，如圖 2 所示。車與消息隊列服務進行通信，如果攻擊者通過逆向工程等方法獲取憑證，或者云存在安全缺陷，就可以遠程接入消息隊列服務，具備了對車發送消息的能力。如果汽車存在消息解析漏洞，攻擊者就可以通過云這個“跳板”攻擊車載終端，利用漏洞獲取車載終端控制權，進而發送 CAN 信號來控制汽車。該攻擊范式涉及云側和車側的安全問題，對于攻擊者而言只是發送一條惡意消息，即可遠程控制汽車。該攻擊范式按照攻擊流程可分為 4 個攻擊步驟 : 接入服務（S1）、越權發布消息（S2）、漏洞利用（S3）和 CAN 控制（S4）。
圖 2 新型攻擊范式
S1：接入服務。“空中跳躍”攻擊首先需要攻擊者接入消息隊列服務，讓其具備連接云服務的能力。通過研究發現，在 M2M 模型中，由于缺乏用戶的介入，云側對設備側的認證邏輯在實現過程中易產生安全問題。攻擊者可以通過以下方法，獲取認證憑證，進而連接到云側的消息隊列服務中。
匿名訪問。一些消息隊列服務端軟件支持匿名訪問，允許用戶通過空的用戶名和密碼接入服務。
暴力破解。對于消息隊列服務而言，認證往往是采用用戶名和口令的方式進行，安全意識較弱的管理員可能會使用弱口令，這就給攻擊者提供了條件，進行暴力破解來猜解出用戶名和口令。
憑證硬編碼。因為車載終端 M2M 模式的原因，開發者為了簡化認證的流程，可能采用硬編碼的方式，將消息隊列服務的認證憑證寫入設備和移動應用程序中，并在同類型的產品共享，讓攻擊者以較低的成本獲取接入憑證。
復現邏輯。對于使用了動態憑證進行認證的目標，一旦攻擊者獲取了設備固件或 App，就可以通過逆向分析的方法獲取認證邏輯，復現認證過程以接入消息隊列服務。
S2：越權發布消息。在通過認證后，消息隊列服務可能會對用戶的權限進行限制，防止攻擊者向非授權的設備發布消息。因此，攻擊者需要測試發布權限，若存在缺陷則可以對任意車輛，甚至所有車輛發送惡意消息。
S3：漏洞利用。上述兩個攻擊步驟，主要是云側的安全問題。對于車而言，我們提出了漏洞利用的攻擊步驟。攻擊者可以通過獲取的設備固件進行逆向分析，或者利用模糊測試、靜態分析等方法去挖掘設備在消息解析時的漏洞。然后攻擊者就可以通過消息隊列的跳板作用，將惡意的消息轉發給指定的目標設備觸發漏洞，達到對智能網聯汽車遠程攻擊的效果。
S4：CAN 控制。攻擊者通過前序攻擊步驟獲取終端的控制權限，并通過逆向工程獲取發送 CAN信號能力，進而控制或攻擊汽車。
三、案例分析
“空中跳躍”攻擊范式主要有 2 種攻擊向量：遠程漏洞利用和遠程操控復現。
1. 遠程漏洞利用
該攻擊向量的前提是與訂閱設備通信的消息隊列服務可遠程訪問。由于服務的身份驗證和授權薄弱，攻擊者可以將惡意消息發布到消息隊列服務，以此結合云側和車側的漏洞實現完整的攻擊鏈，控制汽車甚至攻擊行駛中車輛。
某品牌汽車通過消息隊列協議實現了定位推送功能。通過 App 逆向發現，該品牌汽車云側存在未認證和未授權安全問題，因此具備 S1+S2 的攻擊條件，并且該車終端解析消息邏輯存在漏洞，可以通過遠程獲取汽車中控主機 Root Shell，進一步發送CAN 信號控制汽車。
攻擊鏈：S1+S2+S3+S4
攻擊條件：攻擊者可以在任意地點接入互聯網。
攻擊效果：獲取任意激活車輛中控 Root Shell，接入車 CAN 網絡進行汽車控制。
2. 遠程操控復現
在這種類型的攻擊向量中，盡管沒有發現設備固件中消息解析邏輯漏洞，但攻擊者可以利用消息隊列服務的認證缺陷，逆向消息格式，通過正常功能消息來操縱汽車。
某品牌新能源汽車具備 App 遠程控制汽車功能。汽車的所有者可以通過手機 App 遠程控制汽車打開（關閉）車門，打開（關閉）車窗等操作。該功能是通過消息隊列協議實現的。我們通過逆向手機App，發現了硬編碼憑證的問題，獲取了高權限的認證憑據，并成功連接到消息隊列服務。由于該硬編碼賬號權限較高，這使攻擊者可以將操縱消息發布到連接到服務的任何汽車上，控制打開車門進入汽車，并啟動汽車開走。
攻擊鏈：S1+S2
攻擊條件：攻擊者可以在任意地點接入互聯網。
攻擊效果：操控任意激活車輛車門和車窗等功能，甚至可以直接開走。
四、緩解措施
針對消息隊列協議在車聯網領域應用存在的安全問題，建議有 3 個緩解措施來應對，分別從車側到云側層層遞進，提高安全能力。
混合的身份驗證。MQTT 協議規范中沒有提供可靠的身份驗證機制。無論使用哪種身份驗證方法，攻擊者都可以始終使用自己設備的賬戶與消息隊列服務建立連接。但是仍然有必要根據以下考慮采取復雜的身份驗證措施，通過動態申請獲取身份驗證信息。一方面，它可以阻止攻擊者輕松獲取憑據，增加攻擊成本。另一方面，有助于消息隊列服務隔離用戶權限。例如在與用戶綁定之后，設備可以使用賬戶的信息作為秘鑰來生成證書，因為該信息不會硬編碼到固件中，靜態的分析方法無法輕松獲取敏感信息。
設備和用戶的緊密耦合授權。實際上，我們的攻擊范式所涉及的問題主要是由權限隔離不嚴造成的，這為未經授權的攻擊者提供了發起大規模攻擊的條件。我們可以采用設備和用戶的緊密耦合授權，一旦用戶將設備添加到應用程序或云平臺上的賬戶上，服務應將用戶身份識別信息與設備端 ClientId 或Username 綁定。這樣，由于緊密耦合的授權，使用其他 ClientId 或 Username 的攻擊者無法將消息發布到此設備。盡管大多數公共物聯網云平臺已采用此措施，但許多制造商仍在其私有消息隊列服務中忽略此問題。
空中攻擊檢測。基于對服務的信任，訂閱者很少檢查收到的消息。同時，消息隊列服務僅按照發布者的主題轉發，因此它也不會檢查或修改消息。這使得攻擊有效載荷可以不受任何限制地傳遞給訂閱者。本文提出一種解決方案是添加如 Web 應用程序防火墻之類的消息數據過濾模塊，以檢測從攻擊者發布的消息中可能攜帶的攻擊載荷。
