[論文レビュー] System Level Design Approaches to Security in Automotive Networks

Philipp Mundhenk, Andrew Paverd+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、リアルタイム制約を満たしつつ、部品認証およびアクセス制御を可能にする軽量でフルライフサイクル対応の認証フレームワークであるLASANを提案する。車両製造、保守、オーバー・ザ・エア更新の各段階に暗号技術を統合し、形式的検証とシミュレーションにより、そのセキュリティ性とタイミング適合性を実証する。

ABSTRACT

With the increasing amount of interconnections between vehicles, the attack surface of internal vehicle networks is rising steeply. Although these networks are shielded against external attacks, they often do not have any internal security to protect against malicious components or adversaries who breach the network perimeter. To secure the in-vehicle network, all communicating components must be authenticated, and only authorized components should be allowed to send and receive messages. This is achieved using an authentication framework. Cryptography is widely used to authenticate communicating parties and provide secure communication channels (e.g., Internet communication). However, the real-time performance requirements of in-vehicle networks restrict the types of cryptographic algorithms and protocols that may be used. In particular, asymmetric cryptography is computationally infeasible during vehicle operation. In this work, we address the challenges of designing authentication protocols for automotive systems. We present Lightweight Authentication for Secure Automotive Networks (LASAN), a full lifecycle authentication approach. We describe the core LASAN protocols and show how they protect the internal vehicle network while complying with the real-time constraints and low computational resources of this domain. Unlike previous work, we also explain how this framework can be integrated into all aspects of the automotive lifecycle, including manufacturing, vehicle maintenance, and software updates. We evaluate LASAN in two different ways: First, we analyze the security properties of the protocols using established protocol verification techniques based on formal methods. Second, we evaluate the timing requirements of LASAN and compare these to other frameworks using a new highly modular discrete event simulator for in-vehicle networks, which we have developed for this evaluation.

研究の動機と目的

• 増加する相互接続性に起因する自動車ネットワークにおける攻撃表面の拡大と、内部セキュリティメカニズムの欠如に起因する課題に対処すること。
• 車両内ネットワーク内で通信可能なのは、承認済みのコンポONENTに限ることを保証する認証フレームワークの設計。
• 自動車システムに一般的な厳密なリアルタイム制約および低計算リソース制約を満たすこと。
• 製造、保守、ソフトウェア更新を含む自動車ライフサイクルの全段階にわたり認証フレームワークを統合すること。
• 提案されたソリューションのセキュリティ特性およびリアルタイム性能の両方を検証すること。

提案手法

• 制限された自動車環境に適した軽量暗号プリミティブを用いて、フルライフサイクル対応の認証フレームワークLASANを設計すること。
• コアLASANプロトコルのセキュリティ特性を検証するための形式的技法を採用し、一般的なネットワーク攻撃に対して耐性があることを保証すること。
• タイミング挙動およびリアルタイム適合性を評価するための、非常にモジュール化された離散イベントシミュレータを開発すること。
• リアルタイム要件を満たすために、計算コストの高い非対称暗号方式ではなく、対称鍵暗号方式を採用すること。
• 安全なブートストラップ、動的再認証、安全なオーバー・ザ・エア更新をサポートするプロトコルスイートを構造化すること。
• 安全なコンポONENTのオンボーディングおよびライフサイクル管理を支援するため、フレームワークを車両開発ワークフローに統合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、車両内ネットワークのリアルタイム制約内で動作するセキュアな認証フレームワークを設計できるか？
• RQ2 リソース制限のある自動車ECU上で実行可能でありながら、強力なセキュリティを確保する暗号アプローチは何か？
• RQ3 認証フレームワークを自動車ライフサイクルのすべての段階にシームレスに統合するにはどうすればよいか？
• RQ4 実際のネットワーク環境下で、提案されたプロトコルスイートのタイミング特性はどのようなものか？
• RQ5 LASANは、既存のフレームワークと比較して、セキュリティおよびパフォーマンス面でどのように優れているか？

主な発見

• LASANは、リアルタイム自動車システムに適した最小限のパフォーマンスオーバーヘッドで、コンポONENTの強固な認証を達成した。
• 形式的検証により、コアLASANプロトコルがリプレイ攻撃やなりすまし攻撃といった一般的な脅威に対して安全であることが確認された。
• 離散イベントシミュレータにより、さまざまなネットワーク負荷状況下でもLASANが重要なタイミング制約を満たしていることが示された。
• 計算効率および自動車ライフサイクル全体にわたる統合可能性の観点で、LASANは既存のフレームワークを上回った。
• フレームワークは、パフォーマンスに影響を与えることなく、ライフサイクル全体にわたる信頼管理を可能にする安全なオンボーディングおよび更新をサポートする。
• 非対称方式ではなく対称鍵暗号方式を採用することで、低消費電力ECU上でも実行可能でありながら、強力なセキュリティ保証を維持できた。