CAN總線協(xié)議和ICSim模擬器的使用

本環(huán)境是蛇矛實驗室基于"火天網(wǎng)演攻防演訓(xùn)靶場"進行搭建，通過火天網(wǎng)演中的環(huán)境構(gòu)建模塊，可以靈活的對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計和配置，并且可以快速進行場景搭建和復(fù)現(xiàn)驗證工作。

關(guān)于CAN總線協(xié)議

CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低功耗、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。

ICSim模擬分析

在了解CAN之前，我們先來理解一下什么是ECU(Electronic Control Unit)，早期分布式的電子電氣架構(gòu)下，每個 ECU 通常只負(fù)責(zé)控制一個單一的功能單元，彼此獨立，分別控制著發(fā)動機、剎車、車 門等部件。雖然現(xiàn)在ECU變得越來越復(fù)雜，但其基本部件不會改變，ECU 控制車輛的不同功能，現(xiàn)代汽車中有多達(dá) 70 個 ECU。如果這些ECU需要通信，那么就用到了CAN。在CAN總線出現(xiàn)之前，汽車制造商使用點對點布線，因此大多數(shù)部件都需要互相連接才能實現(xiàn)通信。如果汽車布線時出現(xiàn)故障，診斷會變得非常困難。CAN的出現(xiàn)使這種狀況變得簡單，CAN是一種總線協(xié)議，它允許微控制器(MCU)和ECU相互通信，并且它是一種基于消息的協(xié)議。通過單個 CAN 接口，ECU 可以通過集中式系統(tǒng)與每個之間進行通信，涉及更少的布線，并且數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號而不是模擬信號傳輸，它使信號在傳輸過程中發(fā)生錯誤的概率減小。要訪問汽車的CAN總線進行調(diào)試，我們需要連接汽車的OBD接口(現(xiàn)在汽車都使用OBD-II接口)，一般情況下，這個接口位于駕駛員座位的前方附近。下圖中為汽車的調(diào)試接口

想要通過OBD-II接口連接電腦進行操作，就需要用到USB轉(zhuǎn)CAN的工具，淘寶一般有賣。

我們學(xué)習(xí)vehicle安全的最便宜簡單的方法是使用汽車模擬器。我們可以使用 ICSim工具，很方便的了解和學(xué)習(xí) CAN 的內(nèi)容。由于本小節(jié)只是簡單介紹CAN和ICSim模擬器的使用，使初學(xué)者對CAN有初步了解，對CAN的詳細(xì)內(nèi)容并不會進行講解，如果大家有興趣可以去看<<智能汽車安全攻防大揭秘>>這本書。ICSim(Instrument Cluster Simulator)，是由Open Garages推出的工具。它可以產(chǎn)生多個CAN信號，同時會產(chǎn)生許多背景噪聲，讓我們可以在沒有汽車或不改造汽車的情況下即可練習(xí)CAN總線的逆向技術(shù)。ICSim 包括一個帶有車速表、門鎖指示燈、轉(zhuǎn)向信號燈和控制面板的儀表板。模擬控制器允許用戶與模擬汽車網(wǎng)絡(luò)進行交互，應(yīng)用加速、剎車、控制門鎖和轉(zhuǎn)向信號。

安裝ICSim環(huán)境，需要首先安裝ICSim所需依賴庫：

sudo apt installlibsdl2-dev libsdl2-image-dev

要發(fā)送、接收和分析 CAN 包，我們需要 CAN 分析工具。Can-utils 是一組 Linux 實用程序，允許 Linux 與車載 CAN 網(wǎng)絡(luò)進行通信。Can-utils 包含 4個我們經(jīng)常使用的主要工具：

sudo apt install can-utils
#candump : 顯示、過濾和記錄CAN數(shù)據(jù)到文件。candump并不會解碼數(shù)據(jù)。
#canplayer : 對記錄的CAN數(shù)據(jù)進行重放。
#cansend : 發(fā)送CAN數(shù)據(jù)。
#cansniffer : 顯示CAN數(shù)據(jù)并高亮顯示變化的字節(jié)。

然后將ICSim下載下來

切換到ICSim目錄，執(zhí)行"make"命令，就可以編譯成功。編譯成功后，就可以使用"icsim van0"來模擬車輛，我們另起一個終端，使用"controls vcan0"，這時出現(xiàn)儀表盤的窗口是模擬控制器，并且控制器中的速度表一直忽上忽下的跳到在0mph以上的位置，說明ICSim工作正常。

下面，我們可以使用如下鍵位來操作控制器

上方向鍵加速
向左方向鍵左轉(zhuǎn)
向右方向鍵右轉(zhuǎn)
右shift+A/X開左車門（前/后）
右shift+B/Y開右前車門（前/后）
左shift+A/X關(guān)左車門（前/后）
左shift+B/Y關(guān)右前車門（前/后）

運行后，我們可以使用ifconfig來查看網(wǎng)絡(luò)接口，發(fā)現(xiàn)會多出來一個vcan0的網(wǎng)絡(luò)接口。

我們可以使用"candump vcan0"來抓取CAN包裹流量，這時我們對控制器進行操作就會抓取相應(yīng)命令的流量。如下圖，左側(cè)可以看到抓取的流量直接打印到屏幕上，顯示流量時還是比較亂的。

這時我們可以使用"candump -l vcan0"，candump會自動將抓取的流量包放入candump-xxx.log文件中。

想要停止抓取可以按"ctrl+c"。查看一下抓取流量包，第一列，括號內(nèi)的是時間戳，第二列中vcan0為我們的虛擬can接口。后面的是ID和數(shù)據(jù)，ID和數(shù)據(jù)以#號分割。

candump可以監(jiān)聽并記錄原始數(shù)據(jù)，會有很多對我們無用的數(shù)據(jù)。can-utils工具包中還有一款可以根據(jù)仲裁ID進行分組顯示，并對變化的數(shù)據(jù)以紅色顯示，使我們比較容易分辨，它就是cansniffer。我們使用"cansniffer -c vcan0"命令來對vcan0進行監(jiān)聽。

我們可以測試一下，當(dāng)我按下左方向鍵時，儀表盤開始出現(xiàn)左轉(zhuǎn)向的燈。同時左側(cè)的流量包開始變動，但是我不太好觀察到哪里出現(xiàn)了變化。

這時，我們可以將ID這一列截圖固定在左側(cè)，因為cansniffer已經(jīng)對ID做了分類，當(dāng)進行左轉(zhuǎn)向的操作，就可以觀察出哪里出現(xiàn)了變化。如下圖所示，當(dāng)我按下左轉(zhuǎn)向時，發(fā)現(xiàn)左側(cè)多出了一行，這一行為"188#01000000"，那么這一條流量包大概率是對轉(zhuǎn)向進行操作的包裹。

同理，我們繼續(xù)測試一下右轉(zhuǎn)向，發(fā)現(xiàn)左側(cè)多出一行，即為"188#02000000"。發(fā)現(xiàn)和左轉(zhuǎn)向僅僅相差1字節(jié)，說明id為188很有可能是對轉(zhuǎn)向的控制命令。接下來，我們驗證一下。

cansend可以模擬發(fā)送包裹，cansend命令的使用為"cansend vcan0 ID#XXXXXXXX"。上面我們已經(jīng)觀察到188為轉(zhuǎn)向控制ID，我們發(fā)送一下sniffer的左轉(zhuǎn)包裹，發(fā)現(xiàn)確實儀表盤出現(xiàn)了左轉(zhuǎn)，證明了我們188確實是左轉(zhuǎn)控制ID。

同理，我們測試一下右轉(zhuǎn)。

按照前面的思路，我們測試一下開車門的操作，步驟和上面相同。當(dāng)我按下"右shift+A"時，左前車門開啟，同時我們發(fā)現(xiàn)開左前車門的ID為19B，并且數(shù)據(jù)為"00000E000000"。

同時，測試一下關(guān)閉左前車門時的命令包裹。發(fā)現(xiàn)為"19B#00000F000000"。

使用"cansend vcan0 19B#00000E000000"命令發(fā)送開啟左前車門的包裹，發(fā)送完畢后發(fā)現(xiàn)儀表盤左前車門打開。

使用"cansend vcan0 19B#00000F000000"命令發(fā)送關(guān)閉左前車門指令，發(fā)送完畢后，車門關(guān)閉。證實了我們分析的車門開啟和關(guān)閉的指令。

測試加油的指令時，上面的操作也可以比較方便的分析出加油指令I(lǐng)D和數(shù)據(jù)。這里不在重復(fù)講解，上面的方法固然好用，但是也有不適用的時候，比如情況比較復(fù)雜，出現(xiàn)的ID變化或者較多。我們還有一種方法可以分析出對車輛的指令。我們首先使用"candump -l vcan0"進行流量抓取，抓取過程中進行加油門操作，然后松開油門，使其速度將為最低，最后停止抓取流量。

這樣一來，整個的過程就可以抓取到log文件中。我們使用重放的發(fā)送，發(fā)送這個log文件中的所有內(nèi)容。

命令如下，使用"canplayer -I candump-xxx.log"命令就會將抓取到的流量重新發(fā)送一邊。發(fā)送后可以觀察到我們上面加速和減速的整個過程，接下里我們就要使用二分法截取加速的部分。

使用二分法截取加速過程，例如這里我抓取的log文件有200000條數(shù)據(jù)，我們先截取前1000000條數(shù)據(jù)進行重放。觀察是否只是加速過程，這里我發(fā)現(xiàn)有減速過程就繼續(xù)使用二分法。一直當(dāng)我截取到20000-40000條時，我發(fā)現(xiàn)只為加速過程。然后我們就可以進行下一步了。

我們將log文件的時間戳去掉后，使用"cat xxx.log | sort | uniq -c | sort -n"命令來分類我們的流量包日志文件。這條命令的結(jié)果是去重后，按照ID出現(xiàn)的次數(shù)進行排序。一般情況下，一直加油時發(fā)出的指令都是單次的，并不會重復(fù)。按照這一現(xiàn)象，我們分類后，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)1次，并且ID相同并且遞增的命令就是加速指令。

如下圖所示，"244#0000001xxx"即為加速指令。我們重放后，可以觀察到加速現(xiàn)象。

同理，我們也可以測試開關(guān)車門的指令，比如我這里開了4次左前車門，關(guān)了3次左前車門(開門和關(guān)門次數(shù)不同時容易比較分析)。然后使用"cat xxx.log | sort | uniq -c | sort -n"命令進行分類，分類后可以簡單方便的查找車開關(guān)車門的指令。

Fuzzing

我們可以使用savvyCAN工具對can協(xié)議進行fuzz測試。

savvyCAN安裝過程如下，

首先需要安裝qt環(huán)境，這里我使用5.14.2版本(https://download.qt.io/archive/qt/5.14/5.14.2/)(savvyCAN環(huán)境要求>=5.14.0版本)，下載".run"的在線安裝程序，然后其賦予執(zhí)行權(quán)限(chmod 755 qt-xxx.run)，使用"./qt-xxx.run"進行安裝，這里我安裝完畢后的目錄為"~/Qt5.14.2/5.14.2"。

git clone https://github.com/collin80/SavvyCAN.git
sudo apt install libqt5serialbus5-dev libqt5serialport5-dev qtdeclarative5-dev qttools5-dev
cdSavvyCAN
~/Qt5.14.2/5.14.2/gcc_64/bin/qmake
make

安裝完畢后就可以使用"./savvyCAN"啟動工具，啟動后的頁面如下。我們需要先連接vcan0才能進行下一步操作。點擊Connection然后點擊"open Connection Window"。

點擊"Add New Device Connection - QT SerialBus Device-socketcan-vcan0"，然后點擊"Create New Connections"，最后"Save Bus Settings"就創(chuàng)建好連接了。

savvyCAN工具部分功能與我們上面使用的can-utils工具相同，下圖為RE tools中的sniffer功能，與我們上面操作使用的cansniffer功能相同，但是savvyCAN中變化的數(shù)據(jù)使用了顏色進行標(biāo)記，更便于我們辨識數(shù)據(jù)。

savvyCAN工具的重點即為fuzz功能，點擊"Send Frames-fuzzing"就會出現(xiàn)下圖中的fuzzing window，這個窗口中的功能適用于我們想要fuzz否個ID范圍，并且可以自定義fuzz的數(shù)據(jù)。

下圖中為我測試0x244 ID的fuzz效果，綠框部分為我們想要fuzz數(shù)據(jù)的位數(shù)，這里我設(shè)置只fuzz最后倆個bytes的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)范圍為00-FF。ID Scanning為Random模式，這里可以設(shè)置seqential，效果更為明顯。

fuzzing功能對我們測試某個范圍的ID功能極有幫助，可以幫助我們快速辨別出id的功能。

總結(jié)

這一小節(jié)，我們學(xué)習(xí)了使用ICSim模擬器模擬車輛，并且通過can-utils和savvyCAN工具對CAN總線進行抓包和分析，初步了解了CAN的內(nèi)容。

蛇矛實驗室成立于2020年，致力于安全研究、攻防解決方案、靶場對標(biāo)場景仿真復(fù)現(xiàn)及技戰(zhàn)法設(shè)計與輸出等相關(guān)方向。團隊核心成員均由從事安全行業(yè)10余年經(jīng)驗的安全專家組成，團隊目前成員涉及紅藍(lán)對抗、滲透測試、逆向破解、病毒分析、工控安全以及免殺等相關(guān)領(lǐng)域。

審核編輯：湯梓紅