[논문 리뷰] Security in Automotive Networks: Lightweight Authentication and Authorization

Philipp Mundhenk, Andrew Paverd외 5명|mediaTUM – the media and publications repository of the Technical University Munich (Technical University Munich)|2017. 03. 10.

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)참고 문헌 30인용 수 59

한 줄 요약

본 논문은 LASAN을 제시한다, 경량이며 형식적으로 검증 가능한 차량 내 네트워크 인증 및 인가 프레임워크로서 실시간 제약과 라이프사이클 통합을 준수한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상호 연결된 차량에서 증가하는 내부 공격 표면을 차량 내부 통신의 보안을 통해 해결한다.
• 제한된 자원을 가진 ECU에 적합한 경량의 실시간 인증 및 인가 프로토콜을 개발한다.
• 제조 및 업데이트를 포함한 자동차 제품 수명 주기에 보안 프로토콜을 통합한다.
• 기존 체계 대비 실용성을 입증하기 위한 형식적 보안 검증과 성능 평가를 제공한다.

제안 방법

• LASAN 개념과 대칭(빠름) 및 비대칭(느림) 연산을 구분하기 위한 2단계 보안 설계를 도입한다.
• 보안 모듈이 신뢰할 수 있는 권한으로 작용하는 PKINIT 기반 키 교환을 통해 ECU 인증을 정의한다.
• 멀티캐스트/브로드캐스트 보안을 가능하게 하기 위한 스트림 인증 및 스트림 키의 중앙 관리에 대해 상세히 설명한다.
• 제조, 유지보수 및 소프트웨어 업데이트를 자동차 수명 주기에 통합하기 위한 절차를 제안한다.
• Scyther 프로토콜 분석 도구를 사용하여 LASAN을 형식적으로 검증한다.
• 모듈식 이산 이벤트 시뮬레이터를 사용하여 타이밍 및 대역폭을 평가하고 TLS 및 TESLA와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 제약과 제한된 ECU 자원을 충족하면서 자동차 네트워크에서 인증 및 인가를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 중앙집중식 보안 모듈이 페어 간 핸드셰이크 없이도 확장 가능한 다중캐스트 보안 통신을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 LASAN의 형식적 보안 보장은 무엇이며, 차량 내 네트워크에서 TLS 및 TESLA에 비해 성능은 어떠한가?
• RQ4 제조 및 업데이트를 포함한 자동차 제품 수명 주기에 LASAN을 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ5 현실적인 차량 내 조건에서 LASAN의 지연(latency) 및 대역폭이 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• LASAN의 인증 및 인가 프로토콜은 Scyther 형식 검증 도구를 사용하여 보안 측면에서 검증 가능하다.
• LASAN은 새로운 모듈식 이산 이벤트 시뮬레이터를 사용한 실시간 성능 평가를 거쳤으며 TLS 및 TESLA와 비교된다.
• 프레임워크는 고정된 자동차 네트워크 구성과 다중 캐스트 메시징을 활용하여 대역폭과 연산을 최소화한다.
• LASAN은 ECU의 안전한 교환 및 소프트웨어 업데이트를 포함하여 자동차 수명 주기에 걸쳐 보안 프로세스를 통합한다.
• 설계는 실시간 통신 제약을 보존하기 위해 빠른 대칭 연산과 느린 비대칭 연산을 분리한다.