Absicherung von Diagnosefunktionen in E/E-Fahrzeugarchitekturen durch verteilte Zugriffskontrolle und Anomalieerkennung

Die Automobilindustrie befindet sich derzeit in einer Transformation, die durch Trends wie beispielsweise der Elektromobilität, dem automatisierten und vernetzten Fahren oder der geteilten Mobilität angetrieben wird. Das Fahrzeug sowie insbesondere die zugehörige Elektrik/Elektronik-Architektur ist ein Teil dieser Transformation. Für die Bereitstellung neuer Fahr- und Komfortfunktionen wird zunehmend mehr Software integriert sowie der Vernetzungsgrad durch die Anbindung der Umwelt (z.B. Hersteller-Backend Systeme) über drahtlose Kommunikationstechnologien gesteigert. Dabei sind in den letzten Jahren zunehmend Angriffe auf die Informationssicherheit von Fahrzeugen bekannt geworden, die auf schwache oder fehlende Absicherungsmaßnahmen zurückzuführen sind. ... mehrDadurch gelang es beispielsweise im Jahr 2015 unautorisierten Personen über das Mobilfunknetz aktiv in die Fahrzeugkommunikation einzugreifen und darüber Aktuatoren wie die Lenkung oder Bremse aus der Ferne anzusteuern.

Im Rahmen dieser Dissertation werden daher bekannte Angriffe im Zeitraum 2010 - 2019 analysiert sowie bisherige Schwächen bei der Absicherung und Erkennung von Angriffen identifiziert. Im Kern kristallisiert sich auf Basis der untersuchten Angriffe eine bisherige Schwäche im Bereich der Zugriffskontrolle auf Anwendungs- und Netzwerkebene heraus, da kein oder nur ein eingeschränktes Rechtemanagement implementiert war. Darüber hinaus zeigt die Aufarbeitung des aktuellen Stands der Technik und Wissenschaft eine bisherige Forschungslücke auf diesem Gebiet.

Auf der Grundlage dieses Wissensstandes wird im Rahmen dieser Arbeit ein Konzept für eine verteilte automotive attributsbasierte Zugriffskontrolle (A-ABAC) vorgestellt. Diese ermöglicht die Kontrolle sowie Durchsetzung von Diagnose-Berechtigungen in Fahrzeugsteuergeräten sowie den Datenaustausch der beteiligten Module in signal-orientierten Fahrzeugarchitekturen. In Anlehnung an bekannte Angriffe wird das entwickelte Konzept durch verschiedene Use-Cases im Rahmen eines Proof-of-Concepts getestet.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines Konzepts zur Erkennung von Anomalien innerhalb der Diagnosekommunikation, die durch Insider-Angriffe verursacht werden. Dieser Aspekt wurde bisher im Stand der Technik und Wissenschaft noch nicht adressiert. Präventive Maßnahmen sind in ihrer Wirkung eingeschränkt, einen Angreifer mit Insider-Wissen (z.B. legitimierte Zugangsdaten) abzuwehren. Das entwickelte Intrusion Detection System (IDS) besitzt die Fähigkeit, auf Basis eines bekannten Normalverhaltens durch einen Insider verursachte Abweichungen (Anomalien) zu erkennen, indem eine Methode der Computerlinguistik auf die Diagnosekommunikation adaptiert wird. Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Erkennungsansatzes wird im Rahmen von drei unterschiedlichen Anomalietypen gezeigt.

Neben signal-basierten Architekturen werden zunehmend service-orientierte Architekturen (SOA) in Fahrzeuge integriert, um die Updatefähigkeit sowie Anpassungsmöglichkeiten während des Entwicklungsprozesses sowie im Feld durch dynamische Kommunikationsbeziehungen zu steigern. Durch diesen Paradigmenwechsel entstehen jedoch neue Herausforderungen in Bezug auf die Informationssicherheit. Bisherige Absicherungsmaßnahmen sind in das veränderte SOA-Kommunikationsverhalten nur eingeschränkt adaptierbar. Im Ausblick werden zugehörige Unterschiede mit Fokus auf die Maßnahmen der Zugriffskontrolle und Anomalieerkennung diskutiert sowie Potentiale aufgezeigt. Darunter auch die Möglichkeit zur Adaptierung der in dieser Arbeit entwickelten Zugriffskontrolle.

The automotive industry is currently undergoing a transformation driven by trends such as electric mobility, automated and connected driving, and shared mobility. The vehicle, and in particular the associated electrics/electronics architecture, is part of this transformation. More and more software is being integrated to provide new driving and comfort functions, and the degree of connectivity is being increased by connecting the environment (e.g., manufacturer backend systems) via wireless communication technologies. In this context, attacks on the information security of vehicles have been increasingly reported in recent years due to weak or missing countermeasures. ... mehrIn 2015, unauthorized persons were able to actively influence vehicle communication via the mobile network and remotely control actuators such as the steering or brakes.
This dissertation analyzes known automotive attacks in the period from 2010 to 2019 and identifies security weaknesses of corresponding systems. A major weakness of the attacks investigated is in the area of access control at the application and network level, since no or only a limited rights management was implemented. In addition, the review of the current state of the art and science reveals a previous research gap in this area.

Based on these results, a concept for a distributed automotive attribute-based access control (A-ABAC) is presented in this thesis. This enables the control and enforcement of privileges in vehicle control units as well as the data exchange of the involved modules within signal-oriented vehicle architectures. According to known attacks, the developed concept is tested by different use cases as a proof-of-concept.

Another focus of this work is the development of a concept for detecting anomalies within diagnostic communication caused by insider attacks. This aspect has not yet been addressed in the state of the art and science. Preventive measures are limited in their ability to defend against an attacker with insider knowledge (e.g., legitimized credentials). The developed intrusion detection system has the ability to detect deviations (anomalies) caused by an insider based on a known normal behavior by adapting a computational linguistics method to diagnostic communication. Three different types of anomalies are used to demonstrate the detection approach.

In addition to signal-based architectures, more flexible service-oriented architectures (SOAs) are increasingly being integrated into vehicles, e.g., to increase the ability for updates or adaptions during the development process as well as after production due to dynamic communication relations. However, this paradigm shift creates new implications in terms of information security. Existing security measures for signal-oriented communication can only be adapted to a limited extent due to a changed SOA communication behavior. In the outlook, related disparities with a focus on access control and IDS are discussed and potentials are outlined.