2023 SDC 议题回顾 | 虚虚实实——深入研究汽车虚拟化技术
2023-12-4 18:5:18
Author: 看雪学苑(查看原文)
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以下为速记全文：
大家好，我是绿盟科技的张克雷。今天的议题是汽车的虚拟化技术，他能降低大家的研究成本，我们愿意分享出来，希望能助力整个车联网安全行业蓬勃发展。核心内容有6大块，因为虚拟化这东西比较玄，所以尽可能的说大白话，让大家都能理解。第一个就是说它难在哪，这个问题等我讲完所有内容以后，大家心里才有底。第二就是说我们怎么做虚拟化的技术验证，会花费将近2/3的篇幅来给大家公开这个技术。第三就是如何基于这一套虚拟化技术，形成一个比较合理的或非常合理的虚拟化的汽车系统。第四，我们对这一套虚拟化的汽车系统进行攻击，基于它做一些仿真，然后再去做一些产品测试，最后它的效果怎么样。第五个就是还有一些虚实结合的东西，我们说一说自己的理解。第六，有没有另外的玩法，就把它玩起来可能会更让大家的研究会更有趣一点。这里有些名词，比如说电气架构，它就是一个汽车行业的名词，他说的是啥？就是汽车各个零部件应该怎么连的问题，怎么连能降低大家成本，这是一个方面。架构有两种，一种是功能域分布型，另外一种叫中央计算型。像右边这个图就是一个功能域，它有很多功能域，左下角域控制器网络。这个叫CAN总线，它设计之初就是为了把车所有的单片机类的设备连起来，因为90年代那个时候大部分控制器都是单片机的，很少有Linux的，现在不一样了，现在那些T-box、车机、下面ADAS也是Linux，还有很多零件，包括车身，整车有的它也会是Linux，面对这么多操作系统，零部件，仿真这么庞大的一个汽车系统，我们怎么实现它的虚拟化呢？刚才我们说一辆车分很多功能域，是我们在网上看到的或学到的。但是在真车上不见得是这么用的，实际车里网络会更复杂一些。总结一下三点，第一点就是级别越低，它可能越简单，然后反之越复杂，这个复杂就体现在一个种类，还有数量的多和全。第二我们应用时会有取舍，比如说甚至整个域都会没了，把两个域连在一起，作为一条域。从车身域打进去，甚至都可能控制整车的动力。第三，实车零部件的集成情况不一，比如说中央网关T-box，还有车身，还有VCU这种，它可能会集中在一个零部件上。以上会为车辆安全带来一些成本上的压力，成本不光是钱，还有我们自身的学习和理解上，所以说按照我们以往的想法，买一辆车确实可以解决有无，买多辆车确实可以凑齐电气架构，但是无论对于我们个人还是企业来说，它都是成本非常巨大的，这个时候我们就会想有没有一个汽车直接装在我们电脑上，我们就可以很低成本地开始研究了。为了解决这个问题，我们按照这4个思路往下去讲，第一个就是说我们要想一想我们需要的到底是什么，真的是一整辆车吗？右边那个图是整车所有的零部件，保时捷的，我们真的需要一整辆车在路上跑着我们测吗？其实是有一些关键零部件就好了，一堆运行着的零部件足够解决我们的环境问题。第二，高端的车100多个零部件，我们都把它买回来吗？如果说买全新的可能比整车的成本都要高了。这个时候我们会想有一个网关，再就是几个关键域控和下面的响应设备。比如说车门车锁，我们把它买回来。如果是想研究车门车锁，甚至防盗，这一套就够了。第三，精简后的架构是不是跟我们高端车架构不一样？这块零件都买回来了，想怎么连就怎么连了。比如说研究a车系的，就按a车系来连，研究b车去就按照b车去连，到这里很多人都能解决这个问题，但是再缩小成本缩不下去，原因就是虚拟化解决不了。接下来我主要给大家解决两个问题，一个就是建一个小型的CAN网络，第二个就是说以安卓和Linux主机的形式，把它接到CAN网络里面去，重点的内容就是怎么做的虚拟化技术验证。两个目标，一个是构建一个虚拟化的CAN网络，第二个就是基于安卓和Linux这种虚拟主机，实现CAN网络的互通，立一个小目标，做3个域，1个信息域，1个是ADAS，1个是动力域，4个零部件，分别是T-box、车机、ADAS，还有整车控制器。T-box是干嘛的？我们以前3G时代笔记本电脑上不了网，我们有时候会在运营商买一个USB的上网卡，有流量的，他电脑上能上网，卡是给电脑上网用的， T-box跟那个是一样的，就是给车上网用的。我们对每一个目标梳理一下现状，可能就解决问题了，然后解决不了的我们突破未知。先构建一个虚拟化的网络。提一个问题，我们的主机刚买回来，他没有办法进行CAN通信，我相信大家买主机的时候没有一个销售说我们这个支持CAN网络对吧？那需要怎么解决呢？一般的解决方式就是把我们主机已有的接口换成CAN网络，这种叫转换器，以往叫协议转换器，有的也叫CAN分析仪。比如说第一个是把CAN网络转成USB口，插电脑上就可以了。第二个把它转成网口，对于电脑上来说它就是一个网络适配器。第三个，它也是个USB，好处是它支持SocketCAN。那对第一个而言，我们进程a或者是软件a用了那个设备以后，软件b就打不开了，不能并发，SocketCAN就是把它并发掉，许多进程都可以同时用它收发，这是一个好处，所以我们研究SocketCAN。我们怎么去创建一个SocketCAN网络？有这么三步，加载虚拟的CAN驱动，创建CAN接口，然后把它启起来，这样一个网络就生成了。这就是一个SocketCAN接口，我们创建三条，下边三条就有了。那问题是他们仨怎么互联，上面那一条命令cannelloni，是开源的，大家可以编译自己装上，装完了以后可以把vcan0接口上所有的数据从本地的local port转发到远程主机的一个remote port。相当于我在两个主机之间进行通信。通信的啥内容？是利用的udp协议转发的CAN总线数据。网关内、这个方式是可以的，比如说我们把remote ip跟local ip全都整成127.0.0.1，然后在主机内转发可以做到网关内的CAN域数据转发，但是零部件之间转发不行，因为真车里面不是这么做的。两个零部件的IP不会暴露这样的端口去传CAN数据，因为它就是实线连起来的，我们怎么把它给虚拟化出来呢？先停一停，现在我们已经做好了网关。我们依靠现有的技术以及现成的资源就把它做好了。接下来我们去虚拟化ECU。ECU有两类，一个是Linux，一个是安卓，对于每一类，我们都梳理现状、突破未知。虚拟化软件我们怎么挑的？Qemu，很基础的一个软件，大家都会用，它支持arm的32或64位的CPU，我们利用它去启动一些操作系统，就可以实现跟实车一样，比如实车是arm的，我们也是arm的。安卓官网说支持Android for cars，这个时候我们用安卓Emulator，这个是安卓官方的一个虚拟化软件，大家编译完以后自己运行emulator，它就会出来一个虚拟的界面，虚拟化一个安卓的设备。先说 Linux，实物主机可以接PCICAN卡实现CAN总线的通信。我们想一想，我们现在主机换成了虚拟主机了，我们的卡是不是也要变成虚拟的？10年前有一个大佬，实现了这件事。他就把 PCI的卡给虚拟化了，给qemu来用，怎么用呢？左上角那3行，这个是啥意思呢？比如说我用qemu起一个Linux虚拟机对吧？第一个是我给他加CAN接口。第二我在这CAN接口上用接什么设备，用kvaser_pci这个虚拟化的设备来连接接口。前两行命令是什么意思？就相当于我们买了一个PCI的CAN卡插到我们主机上，就相当于干了这个事儿，那问题来了，插在主机上，它怎么跟外面通信，怎么跟外面连。第三个，如果说我的主机也有一条SocketCAN接口，比如我们刚才vcan0，我们把 if=can0改成if=vcan0，就可以把刚才虚拟的主机Linux通过CAN总线连到我们的主机上来。起ARM虚拟机的时候，比如下面这条命令，用qemu-system-arm来起一个Linux虚拟机机，把三个参数加上，就相当于完成了这一个连接，按理来说我们的主机跟虚拟机之间就可以进行CAN的通信了。我们选择一些很基础的素材，比如说BUSYBOX，然后随便选了个内核4.19.104，因为他那个年代是2013年的，所以我们随便选了一个2020年，大于2013应该就可以，下面选一个2019年的交叉编译器，我们把BUSYBOX、内核、文件系统用交叉编译器编译出来，然后利用编译器的配套的一个文件系统，构建一个我们自己的文件系统，生成了这么一个Linux把它跑起来了，这个很简单，按照之前的命令来跑就得了。但是有个问题，我们自己在一台主机上创建一个虚拟的CAN，它会出来一CAN接口对吧？
vcan0、vcan1、vcan2这种。但是我们发现虚拟linux中没有，这个时候就会出现一些疑问。我明明已经把三个参数加进去了，但是它没有出现。然后我们在里面lspci，看下面有没有PCI设备的时候，发现它出现了。PCI设备插入了，说明内核不认识这个设备，我们内核不支持，解决思路有两个，我们找一个支持的，或者说我们自己编一个把驱动加进去。我们选择第二种，内核的编译过程就是先make menuconfig参数来去定制它内核的一些参数，比如说我去加载一些驱动进去，然后再make生成内核文件。驱动2013年度已经实现了，肯定在内核里面，找就完了。这些框全打勾就可以了。我们启动完了以后，can0就出现了。虽然很简单就实现了，但是不要高兴太早，因为它起arm虚拟机的时候用的主板只支持arm32位的，它不支持64位的处理器。大部分处理器都是64位的，怎么让它支持64位呢？最终我们测试发现，它有一个标准的虚拟化的主板叫VIRT，我们测试了一下，用virt-2.x是可以的，但是virt-3/4/5/6/7启动后没有can0，这个问题留给大家去解决。肯定是可以解决的，我没有深究。用qemu-system-aarch64把它启起来以后,它就是64位架构的，起起来以后它有一个can0说明是支持的，当然它不支持virt-3/4/5/6/7没关系，因为尽管如此，依旧很好。基于此，我们做好了Linux
ECU的一个底座。我们需要编一下内核，然后根据VCU、T-box ADAS仪表网关这种零件类型，我们去给他定制文件系统。定制一些应用在里面，实现CAN的数据交互，这样能做好我们自己的零部件了。暂且放下，我们先去看看安卓系统是怎么使能CAN总线的。对于安卓而言，源码中说它包含一个Android for Cars。我们把安卓的代码下载下来，然后按照编官网的方式来把它编译，编译完了以后运行 emulator，确实可以启动一个安卓的操作系统，启动安卓的操作系统它没有任何参数，只有一个emulator。之前我们启动Linux的时候用了三个参数，使虚拟化的Linux支持CAN总线通信。按理来说，我们让安卓具备CAN总线通信功能的话，我们也得把这个参数加进去，我们查了官网，emulator 有个-qemu选项，把三个参数摆上去，就相当于做了之前的插入CAN虚拟网卡的操作。那我们用这三个参数启动Android。但是，得到的效果跟之前一样，它还是lspci下面有设备，但是ip addr中没有 SocketCAN那个接口，怎么办？我们就按照之前的解决方式来了一遍，我们找了一下官网内核怎么来编译,按理来说我们可以编译、定制内核。我们看下官网的流程，它会有一个build.sh一个脚本，按它脚本构建下来，一个标准的安卓内核就生成了，因为我们要定制它，所以我们还得找menuconfig，于是，我们在它的源码的目录下面翻到一个config.sh，直接运行，不加任何参数，就是menu configure，运行后menuconfig的界面就出来了，这就是我们想要的，我们需要这样一个界面去定制它的内核，把相应的接口SJ1000就是 kvser它的一个驱动，本质上的一个驱动，把它们都打开，打开完了以后我们再去编译安卓内核。但发现安卓依旧启动失败了。我们起安卓操作系统起了200秒还没有起来，内核里面报了一些错误。往上翻，找到一个很关键的，它识别了我插入的kviser
PCI的卡，这说明什么？说明我内核编译对了，问题出现在我们不懂这个内核如何给我们自己编译的安卓来用。安卓内核编译完了以后生成的两个东西，一个是bzImage，另外一个是dist，一个是文件，一个是目录。有一个网站说得把这两个产物，给编译环境来用，让你的编译环境用这两个东西来编译安卓系统。具体怎么做？就是在目录下编译一个文件，把我这两个文件还有目录给它指定了，再编译生成一个它就起来了。这样的安卓，它的内核是可以识别到CAN卡的，他启动完了以后跟我们一样也有一个can0接口。我们对can0做一些设置，比如设置他波特率是1000kbps，然后他把它起起来，在安卓里面用candump去抓包，我们在宿主就给他发包，宿主机发1233455667788，他就能收到。到此为止，我们安卓就具备了CAN通信的能力。总结一下，安卓多了一步，它不光要定制内核，还要把我们编完那些安卓内核的素材，重新给安卓的编译环境来用，重新编译完才能把它跑起来，否则内核和安卓的文件系统是不成一体的。我们再说CAN互联，Linux、安卓都能进行CAN通信了，宿主机一条命令也可以生成一条vcan网卡，这个时候我们怎么把这三个东西接进来，我们设计了一个结构，车机是安卓，adas控制器就是自动驾驶控制器，我们设置为Linux，T-box我们也设置为Linux，它分别具备CAN通信能力。每个里面都有can0。以下宿主机给他分配了3条卡，分别是接这三个虚拟化的设备。下面用emulator去启动车机，然后用qemu去启动ADAS和T-box，因为这俩都是Linux。以太网我们怎么做的呢？我们使用的桥接。任何一个虚拟化软件都是支持桥接的，我们构建了一个桥接网卡，三个主机桥接后，跟主机在一个网段，对于ADAS而言，我们在ubuntu去抓包，我们在ADAS shell中发包，我们发什么宿主机就能收到什么。下面也是，左边是T-box，右边是车机，最下面是宿主机，我们在T-box里面发，在车机里面抓包，在宿主机里面抓包，同样没有任何数据收发。到此为止，基于Linux和安卓节点互联的小型虚拟电气架构就做好了，基于它怎么形成一个虚拟的比较合理的汽车系统？既然是虚拟的汽车，还得有车。右边就是汽车的样子，它可以开车门开车灯，怎么才能支持开关车门的操作呢？我现在只有左下角所示可以发CAN报文的虚拟零部件。我们给它加了一个显卡，上面走unity3D把汽车的模子和路做好，现在只剩下了汽车怎么来控制。按理来说我们车是谁来控制？是汽车的虚拟化零部件来控制的。所以说我们给它加上方向盘和脚踏板，USB直接接电脑上就能使用的那种，但是我们不能直接用USB的数据，因为真实环境下汽车的动力控制也不是走的USB。所以说需要USB接进来了以后把它转成CAN通信，把CAN转到虚拟化零部件里面去。零部件发给前端的Unity3D，控制汽车的动力以及转向，比如说能开车门，踩油门控制它驾驶。整车的这么一个内部环境构造好了以后，我们一个整车的虚拟化环境也就做完了。车外的还有远程控制系统，APP小程序、安全云平台是绿盟的，具体就不给大家再做介绍了，大家自己实现一个ok就完了。还有个关键的地方，是方向盘的编码我们怎么做的。我们没有纠结方向盘的控制，到底是使用Python脚本，还是说是Linux C语言，其实本质上都是一样的，我们暂且用Python来去实现。宿主机上有一个can0网卡，我们把方向盘和脚踏板通过USB然后读出来，使用一个Python脚本，读完以后发到CAN总线上去。是发给谁？发给Linux的VCU，也就是整车控制器，他有控制转向和动力的能力。先用一个脚本将方向盘数据放到CAN数据报文中，比如设置其帧ID为0x123，数据字段包含8个字节，足以将方向盘和脚踏板的数据承载。最后我们设置PCU将CAN报文翻译为汽车的控制信号，比如方向、速度、刹车等等给到Unity3D的前端。到此为止，我们做好了方向盘，基本一辆车就可以驾驶了。小程序和云服务这些也很简单。大家梳理清楚相关业务以后自己做就可以。需要突破的难点，到此为止，基本上都解决了。我们看看它的攻击、仿真以及测试的效果.这个是个攻击的，右上角有一个攻击者，控制你的汽车，驾驶员利用方向盘驾驶。方向盘连接到宿主机上以后，通过刚才给大家介绍的网络去控制整辆汽车，它的数据流是方向盘的数据到了CAN1上，然后到了VCU上，最后就到了3D车路上，车就动起来了。而攻击者是利用一个路由器接进去了，路由器仿真的是一辆汽车的热点。因为里面都是做桥接的，所以每一个零部件的IP，攻击者都可以扫描到，这个是跟真车基本一致，有的可能会有一些网络层级，不在一个网段，但热点始终是在最底层，往上扫都是能扫到的，我们直接做桥接，不影响攻击效果。对于T-box、VCU和车机而言，攻击者如果是一个非常熟悉车联网安全的人，他会直接打VCU，因为VCU可以控车，这个时候他打进去以后会怎么做呢？他可以扫描主机，比如说我们用nmap在里面扫，可以扫描到一些IP存活。第二个是可以对每个IP进行端口扫描，扫描以后发现开了23端口，是telnet。然后还有另外一个主机，比如说91.190，我们扫到了4个5端口，5555端口就是安卓的APP服务.然后我们连接adb，运行adb root，就能获取root权限，这是一个标准的安卓的车机。下边密码爆破的是telnet。我设置的密码是root:111111。确实爆破到了弱口令。我们用现有的攻击工具像打一台主机一样打这个汽车零部件，真车也是怎么做的，我们这个虚拟化就怎么设计。所以说获取完权限以后，你基本上在里面都能控车了，比如下面那车机空调你通过APP拿到权限以后，你可以控制应用任何的显示，甚至是操作，你可以远程控制它点屏幕，都没有问题。第二就是固件的仿真，我们现在有一个实测的应用叫mv_app。我们想把它放到我们的虚拟汽车里面去运行，可不可以？可以，它原先监听两个端口，我们运行完了以后，它也会监听两个端口，怎么做的？就是把整个文件系统丢进去，运行chroot后运行应用就可以了。也就是我在我的汽车环境下切成了对方的汽车环境去运行它，就不会存在很多问题。它还会用到SocketCAN通信，这跟我们是一样的，我们给ADAS零部件插入多张虚拟网卡，mv_app会设置can1并启动can1接口收发报文，比如设置它波特率是500k，能接收到CAN数据包，证明把其他汽车的CAN应用业务也跑起来了。比较有趣的是什么呢？我们把can0和can1接起来，这个时候我们在车机里面抓包，能抓到他的发的包，mv_app发的包是010c报文，可见，确实能实现模拟汽车的业务。绿盟是做安全厂商的，会有一些车载的产品，比如车载的IDPS，我们也把它放上去做了一些测试。比如说，检测攻击它有一套规则去检测，我们提前写好了攻击手段相应的规则，然后让IDPS去应用规则后，我们攻击零部件，后来他就识别到了我的几条命令注入的攻击行为，最后在云平台上也能看到这两个攻击的记录。虚实结合，怎么来做？刚才其实我们已经虚实结合了，我们方向盘是实的，但我们整车是虚的，我们方向盘如果不做实的，我们就拿键盘，这样看起来更虚一点，但是方向盘体验会更好，这也不是很重要。基于现实还有超越现实这两方面都可以去做虚实结合，比如基于现实，我们虚拟化一辆现在的车辆，虚拟化解决不了的业务问题，我们接实物，比如说一条总线一条总线地把它连起来，这样可以解决现阶段汽车很复杂的业务上的虚拟化。对于现阶段不成熟的技术而言，比如说自动驾驶和车路协同，现在没有一家厂商敢说我车可以完美支持自动驾驶，在这样的背景下，如果一定要基于实车做前沿技术研究，显然会受限于行业发展。但是你可以在里面做一些虚实结合，提前做一些实验，比如说提前做攻防，提前做研究，提前发论文都可以。车路协同必然会落地，因为它涉及到国家的交通建设，现在没有做，只不过是基础设施不完全，还有技术不成熟。在这种情况下我们怎么去研究它的安全？车路协同有一些开源项目，比如openv2x，也可以接到里面去，都是没有问题的，大家可以去关注一下。如果说大家想做一个非常全面的汽车靶场，甚至车联网靶场，虚实结合必然是其中的特点之一，否则肯定是业务不全的。然后怎么来连，很简单，80块钱的一个USBCAN卡，把它接上去，就可以把其中一个功能域进行虚实互联。多功能域之间如果隔离的话，你就分着连这样会很简单。现在虚的我们也能搞，那实的也能搞，问题就是说我们实什么虚什么，研究员或者企业把这个问题想清楚以后，才能说虚实结合应该怎么来做。这个问题留给大家，每个人目的不一样，每人实现的方法也不一样，比较灵活。那有没有另外的玩法？刚才我们把方向盘放到CAN总线上去了，现在我们把它接到游戏上去。就这个事能解决什么问题？刚才3D的车路UI是绿盟做的，就管它叫绿盟号，绿盟号的车比如说我叫张克雷，我在绿盟，我能用而大家不能用，怎么办呢？我用极品飞车就好了，对不对？我把方向盘的数据放CAN总线上，数据再返回到Windows下，模拟一个方向盘出来，大不了再把它的按键映射回来就可以了。这样实现的是什么呢？我方向盘的信号既可以在CAN总线上发，它又可以接入现在的游戏，相对来说就比较自由了，大家不必局限于这个绿盟的3D界面怎么没开源之类的，我觉得接一个游戏会更自由一点，甚至接到steam里面开飞机也是可以的。飞机坦克也是按键控制，你炸星球都可以，这个想象空间可能会比较大，因为我们做的东西会比较基础，所以说较好的兼容性相对来说会有利于大家去做一些定制。最后谈一些感受。关于虚拟化，我们不是做的最好的一个，可能会有更合适更便捷的方式，欢迎大家分享。如果安卓想支持的话，谷歌直接启用默认的驱动就完了，它在编译内核的时候，把选项默认打开不就完了吗？很简单。本次议题更想帮助那些想了解想学习车联网安全，但是局限于没有一个环境的人，建立一个很低成本的环境，然后去学习，希望帮助高校去建立车联网专业，然后做一些车联网安全的课程。汽车它是一个支柱产业，现在汽车量应该是达到亿级别了，我们深信车联网安全绝对不只是我们现在能看到的这些，我一直认为车辆安全现在最多只是花苞阶段。我们希望越来越多的人都懂一些车联网安全的知识，甚至拿自己的车练练手。现在做车联网安全的黑客加起来可能不到100个，但是2023年网络安全相关专业的毕业人数规模就在3.2万左右，想象一下这些人都去做车联网安全，整个车联网安全行业会怎么发展，这个是很难估量的。本次演讲就给大家分享这些。如果大家认为汽车虚拟化实现起来没那么难，就弄一下内核、搞一下文件系统、再编译一下，那说明我的演讲就成功了。谢谢大家。*峰会议题PPT及回放视频已上传至【看雪课程】https://www.kanxue.com/book-leaflet-171.htm
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《看雪2023 SDC》
看雪安全开发者峰会（Security Development Conference，简称SDC）由拥有23年悠久历史的顶尖安全技术综合网站——看雪主办，面向开发者、安全人员及高端技术从业人员，是国内开发者与安全人才的年度盛事。自2017年七月份开始举办第一届峰会以来，SDC始终秉持“技术与干货”的原则，致力于建立一个多领域、多维度的高端安全交流平台，推动互联网安全行业的快速成长。
文章来源: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NTc2MDYxMw==&mid=2458530163&idx=1&sn=17145f8cf9a17271c2b749fd74f8a5ac&chksm=b18d01f986fa88ef96fd0f93a45000fe68f83475c8c4b2d49a17014a0425c7312c9ec8c2dcf9&scene=0&xtrack=1#rd
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