CAN总线协议概述
控制器局域网(Controller Area Network，CAN)是一种广泛应用于汽车电子系统的串行通信协议。它由德国Bosch公司在1980年代开发，主要用于车辆内部电子控制单元(ECU)之间的实时通信。CAN总线采用多主架构，具有高可靠性、实时性和抗干扰能力，已成为现代汽车电子系统的标准通信协议。
CAN总线的基本特点
CAN总线采用差分信号传输，工作速率可达1Mbps。其帧结构包括标识符、控制位、数据场和CRC校验等部分。标识符不仅用于消息寻址，还决定了消息的优先级。CAN协议具有非破坏性仲裁机制，当多个节点同时发送消息时，优先级高的消息会继续传输，而优先级低的则自动退出发送。
CAN总线的安全缺陷
尽管CAN总线在可靠性方面表现出色，但其设计之初并未充分考虑安全性问题。主要安全缺陷包括：缺乏消息认证机制、无加密措施、广播通信方式易被监听、基于优先级的仲裁机制可能被滥用等。这些缺陷使得CAN总线容易遭受各种网络攻击。
常见的CAN总线攻击手段
攻击者可以利用CAN总线的安全漏洞实施多种攻击，这些攻击可能导致车辆功能异常，甚至危及行车安全。
重放攻击(Replay Attack)
攻击者通过记录合法的CAN消息并在适当时机重新发送，可以欺骗ECU执行非预期操作。，记录并重放车门解锁消息，可以实现无钥匙进入。
拒绝服务攻击(DoS Attack)
攻击者通过持续发送高优先级消息占据总线带宽，阻止其他正常消息传输。这可能导致关键安全系统(如ABS或安全气囊)无法及时接收控制指令。
模糊测试攻击(Fuzzing Attack)
攻击者向总线发送大量随机或异常格式的消息，可能导致ECU处理异常甚至崩溃。这种攻击方式不需要深入了解目标系统的具体实现细节。
CAN总线安全防护措施
针对CAN总线的安全威胁，业界已提出多种防护方案，可以从不同层面增强CAN网络的安全性。
加密与认证技术
在应用层实现消息认证码(MAC)或数字签名，可以验证消息来源的真实性和完整性。虽然CAN协议本身不支持加密，但可以在应用层对数据进行加密处理。
入侵检测系统(IDS)
通过监控CAN总线流量，分析消息频率、时序和内容等特征，可以识别异常行为。基于机器学习的IDS能够检测未知攻击模式，提高防护能力。
物理层防护
限制对CAN总线的物理访问是最基本的防护措施。使用防火墙隔离不同安全级别的网络区域，可以有效控制攻击扩散范围。
未来发展趋势
随着汽车网联化和自动驾驶技术的发展，CAN总线安全将面临更多挑战，同时也将催生新的安全解决方案。
新一代车载网络协议
汽车以太网等新型网络技术开始应用于车载系统，这些协议在设计时考虑了更多安全因素。但CAN总线仍将在相当长时间内继续使用，因此其安全问题仍需重视。
安全标准与法规
国际标准化组织(ISO)和各国监管机构正在制定汽车网络安全标准，如ISO/SAE 21434。这些标准将强制要求汽车制造商实施适当的安全措施。
CAN总线安全是汽车网络安全的重要组成部分。通过了解攻击手段、实施防护措施并关注技术发展，我们可以构建更加安全的车载网络环境。随着技术的进步和安全意识的提高，CAN总线的安全性将不断提升，为智能网联汽车的发展奠定坚实基础。
常见问题解答
1. 为什么CAN总线在设计时没有考虑安全性？
CAN总线设计于1980年代，当时汽车电子系统相对简单且封闭，网络攻击风险极低。设计者主要关注可靠性和实时性，没有预见到现代网联汽车面临的安全威胁。
2. 普通车主如何保护车辆免受CAN总线攻击？
车主可以采取以下措施：定期更新车载软件；避免使用非官方诊断设备；停车时尽量选择安全场所；关注厂商发布的安全公告；考虑安装经过认证的车载网络安全设备。
3. CAN总线安全与自动驾驶安全有什么关系？
CAN总线是自动驾驶系统的基础通信网络，其安全性直接影响自动驾驶功能的可靠性。攻击者通过CAN总线可能干扰传感器数据或控制指令，导致自动驾驶系统做出错误决策。
4. 未来是否会被更安全的协议完全取代？
虽然汽车以太网等新型网络技术正在兴起，但由于CAN总线在成本、可靠性和兼容性方面的优势，预计它仍将在汽车电子系统中长期存在。更可能的发展方向是在保留CAN总线的同时，通过增强安全机制来提升其防护能力。