SOME/IP協(xié)議的基本原理

01

引 言

隨著汽車(chē)行業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)通信的需求不斷增加，SOME/IP作為支持汽車(chē)以太網(wǎng)進(jìn)程和設(shè)備間通信的一種通信協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)研究[1]表明，第一代使用SOME/IP的汽車(chē)以太網(wǎng)包含了幾個(gè)交換機(jī)和少量以太網(wǎng)ECU，每個(gè)ECU提供了十余種服務(wù)。SOME/IP具有輕量化、高效、以接收方的需求為主導(dǎo)的特點(diǎn)，并且能夠提供過(guò)程調(diào)用和事件通知，逐漸被多種汽車(chē)設(shè)備所使用。然而，正是由于其被廣泛使用和其重要性，SOME/IP協(xié)議也成為了潛在的攻擊目標(biāo)。本文將介紹SOME/IP協(xié)議的基本原理，并探討可能的攻擊方式和防范措施。

02

SOME/IP協(xié)議

可擴(kuò)展的面向服務(wù)的IP中間件（Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP，簡(jiǎn)稱(chēng)SOME/IP）[2]是一種中間件規(guī)范，專(zhuān)門(mén)用于傳輸和序列化控制信號(hào)，特別是在汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景中。SOME/IP建立在（汽車(chē)）TCP/IP或UDP/IP協(xié)議棧之上，為應(yīng)用程序提供了一個(gè)抽象的面向服務(wù)的接口（參見(jiàn)圖1）。因此，應(yīng)用程序無(wú)需處理IP地址和端口，而是使用服務(wù)進(jìn)行通信。SOME/IP的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)靈活且?guī)捀咝У耐ㄐ拧?/p>

圖 1 SOME/IP架構(gòu)

SOME/IP可以大致分為三個(gè)部分：服務(wù)發(fā)現(xiàn)（Service Discovery，SD）、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（Remote Procedure Call，RPC）和對(duì)進(jìn)程數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)。SD使服務(wù)器ECU能夠發(fā)布服務(wù)，并使客戶(hù)端ECU能夠訂閱車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)，這些服務(wù)由服務(wù)ID標(biāo)識(shí)，并可根據(jù)需要附加選項(xiàng)，例如終端選項(xiàng)（即IP地址、傳輸協(xié)議（UDP/TCP）和端口號(hào)）。網(wǎng)絡(luò)中可以存在多個(gè)具有相同服務(wù)ID的服務(wù)實(shí)例，并通過(guò)不同的實(shí)例ID進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)?？梢允褂肦PC訪(fǎng)問(wèn)提供的服務(wù)，并可以接收有關(guān)事件的通知。應(yīng)用程序可以使用set和get來(lái)訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)程數(shù)據(jù)。

SOME/IP-SD用于定位服務(wù)實(shí)例、檢測(cè)服務(wù)實(shí)例是否正在運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)發(fā)布/訂閱處理[3]。為了提供服務(wù)實(shí)例，服務(wù)器會(huì)發(fā)送一個(gè)多播服務(wù)提供消息OfferService（Service ID，Instance ID），可選擇包括上述終端選項(xiàng)在內(nèi)的其他選項(xiàng)。服務(wù)器可以通過(guò)發(fā)送StopOffer（Service ID，Instance ID）消息來(lái)停止提供服務(wù)實(shí)例。如果客戶(hù)端未收到具有所需服務(wù)ID的合適服務(wù)提供消息，則可以主動(dòng)發(fā)送FindService（Service ID，Instance ID）消息，服務(wù)器可以回答并提供所請(qǐng)求的服務(wù)。實(shí)例ID可以設(shè)置為特定值，也可以設(shè)置為0xFFFF，以找到所有服務(wù)實(shí)例。發(fā)布/訂閱機(jī)制可用于客戶(hù)端需要從服務(wù)器獲取一組信號(hào)，但又不想每次手動(dòng)請(qǐng)求該信息的情況?？蛻?hù)端通過(guò)SubscribeEventgroup（Service ID，Instance ID）向事件組訂閱，并由服務(wù)器確認(rèn)SubscribeEventgroupACK（Service ID，Instance ID）。客戶(hù)端通過(guò)StopSubscribeEventgroup（Service ID，Instance ID）消息取消訂閱。在訂閱活動(dòng)期間，服務(wù)器會(huì)定期向客戶(hù)端發(fā)送事件消息。此外，SOME/IP為服務(wù)實(shí)例提供了負(fù)載平衡選項(xiàng)。服務(wù)器可以在其服務(wù)提供中設(shè)置優(yōu)先級(jí)和權(quán)重?？蛻?hù)端應(yīng)選擇具有最高優(yōu)先級(jí)的服務(wù)。如果具有相同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)服務(wù)實(shí)例，則應(yīng)基于服務(wù)實(shí)例的權(quán)重隨機(jī)選擇服務(wù)實(shí)例。SOME/IP協(xié)議定義了以下幾種主要的通信模式：

（1）請(qǐng)求-響應(yīng)方法（Request&Response Method）：在請(qǐng)求-響應(yīng)方法下，一個(gè)模塊作為Client端在尋找所需服務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)其正在有效生存時(shí)間內(nèi)，發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求消息，另一個(gè)提供該服務(wù)的Server端必須回復(fù)該請(qǐng)求消息。若請(qǐng)求消息存在差錯(cuò)，會(huì)回復(fù)錯(cuò)誤信息給到Client端。Client端期望在發(fā)送請(qǐng)求后，接收到相應(yīng)的響應(yīng)消息。這種模式適用于需要請(qǐng)求和獲取特定數(shù)據(jù)或執(zhí)行特定操作的場(chǎng)景，如傳感器數(shù)據(jù)獲取、控制指令下發(fā)等。

圖 2 請(qǐng)求-響應(yīng)方法（Request&Response Method）

（2）請(qǐng)求-無(wú)響應(yīng)方法（Fire&Forget Method）：在請(qǐng)求無(wú)響應(yīng)方法下，一個(gè)模塊作為Client端在尋找所需服務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)其正在有效生存時(shí)間內(nèi)，發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求消息，另一個(gè)提供該服務(wù)的Server端無(wú)需回復(fù)該請(qǐng)求消息。即使請(qǐng)求消息存在差錯(cuò)，也不會(huì)回復(fù)錯(cuò)誤信息。

圖 3 請(qǐng)求-無(wú)響應(yīng)方法（Fire&Forget Method）

（3）事件通知（Event）：在事件通知模式下，作為Server端的模塊會(huì)對(duì)已經(jīng)訂閱其服務(wù)的Client端發(fā)送狀態(tài)值或者觸發(fā)事件的通知。這種模式適用于實(shí)時(shí)共享狀態(tài)信息和事件通知的場(chǎng)景，如交通事件發(fā)布、環(huán)境變化通知等。

圖 4 事件通知（Event）

（4）域值通知（Field）：域值通知模式是對(duì)于Method和Event數(shù)據(jù)包的組合，它提供了3種通信流程：

① Notify：Notify報(bào)文一般會(huì)在Client訂閱服務(wù)之后，由Server端發(fā)送，用于通知域值。

圖 5 Notify

② Getter：Getter報(bào)文使用請(qǐng)求響應(yīng)方法的模式，當(dāng)Client端向Server端發(fā)送獲取域值的請(qǐng)求時(shí)，Server端返回當(dāng)前域值。

圖 6 Getter

③ Setter：Setter報(bào)文使用請(qǐng)求響應(yīng)方法的模式，當(dāng)Client端向Server端發(fā)送設(shè)置域值的請(qǐng)求時(shí)，Server端返回更新后的域值。

圖 7 Setter

這些通信模式為SOME/IP協(xié)議提供了靈活的通信方式，使得車(chē)輛內(nèi)部模塊和車(chē)輛與外部實(shí)體之間可以以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。通過(guò)選擇合適的通信模式，車(chē)輛系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)交換、實(shí)時(shí)的事件通知和靈活的方法調(diào)用，以滿(mǎn)足各種復(fù)雜的應(yīng)用需求。

03

SOME/IP攻擊

SOME/IP協(xié)議最經(jīng)常出現(xiàn)的攻擊類(lèi)型是中間人攻擊。中間人攻擊是攻擊者在受害兩方都未發(fā)現(xiàn)攻擊者身份的情況下實(shí)施數(shù)據(jù)竊聽(tīng)和篡改的攻擊類(lèi)型。在以太網(wǎng)環(huán)境下，可以通過(guò)與受害方同時(shí)連接同一個(gè)交換機(jī)達(dá)到中間人攻擊的效果。對(duì)于SOME/IP的通信，有以下3種不同的中間人攻擊方式[4]：

（1）服務(wù)提供上的復(fù)制攻擊

此類(lèi)攻擊的操作與重放攻擊類(lèi)似，但實(shí)現(xiàn)的環(huán)境是在中間人的環(huán)境下。圖8簡(jiǎn)單地展示了這種攻擊的實(shí)現(xiàn)方式：

首先客戶(hù)端、攻擊者和服務(wù)端均處在同一個(gè)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)下，互相都能接收到彼此的數(shù)據(jù)。接著服務(wù)端在啟動(dòng)服務(wù)并進(jìn)入到正式階段（Main Phase）后，會(huì)周期性地在這個(gè)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中廣播自己提供的服務(wù)，例如圖中所示服務(wù)端提供了0x1234和0x5678這2個(gè)服務(wù)ID的服務(wù)，并讓客戶(hù)端和攻擊者都收到了這條廣播數(shù)據(jù)。此時(shí)，采用復(fù)制攻擊的攻擊者會(huì)立刻復(fù)制這條廣播報(bào)文，修改IP地址和端點(diǎn)信息，偽造自己在這個(gè)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中也提供同樣的服務(wù)。當(dāng)然因?yàn)楣粽咧荒茉赟OME/IP協(xié)議層面進(jìn)行復(fù)制攻擊，無(wú)法對(duì)下層通信進(jìn)行干預(yù)，因而客戶(hù)端就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)收到2條宣稱(chēng)自己具有0x1234和0x5678服務(wù)的廣播報(bào)文，然后可能會(huì)選擇攻擊者發(fā)送的這條廣播報(bào)文進(jìn)行回復(fù)，即圖中的請(qǐng)求服務(wù)。一旦攻擊者收到客戶(hù)端的請(qǐng)求服務(wù)，就會(huì)把這條報(bào)文帶有客戶(hù)端的身份信息修改為自己的身份信息，但請(qǐng)求服務(wù)內(nèi)容不變地發(fā)送到服務(wù)端。攻擊者再接著把服務(wù)端回復(fù)的服務(wù)內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給客戶(hù)端，這樣就完成了一次中間人轉(zhuǎn)發(fā)操作。并且對(duì)于服務(wù)端，攻擊者會(huì)被認(rèn)為是真正的客戶(hù)端，而對(duì)于客戶(hù)端會(huì)把攻擊者當(dāng)成提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)。在成功進(jìn)入這個(gè)中間人環(huán)境后，攻擊者可以進(jìn)行下一步深層次的攻擊。

圖 8 服務(wù)提供上的復(fù)制攻擊

（2）服務(wù)提供上的斷連攻擊

第一種復(fù)制攻擊看似很容易能進(jìn)入到中間人的環(huán)境中，但具有一定的局限性：

① 客戶(hù)端可能已經(jīng)與服務(wù)端建立了連接，不會(huì)再對(duì)攻擊者的廣播作出反應(yīng)。

② 即使客戶(hù)端未與服務(wù)端建立連接，也不能保證客戶(hù)端選擇攻擊者的廣播報(bào)文發(fā)送請(qǐng)求，因?yàn)榉?wù)端永遠(yuǎn)比攻擊者先發(fā)出去原始報(bào)文。

③ 根據(jù)SOME/IP官方文檔，不可復(fù)用服務(wù)端提供的Instance ID，但還要根據(jù)客戶(hù)端能夠接受的Instance ID偽造Offer報(bào)文。

由于以上的問(wèn)題，一種基于復(fù)制攻擊的斷連攻擊被提出了，如圖9所示：

可以看到圖的下半部分與復(fù)制攻擊的后半部分一致，就是攻擊通過(guò)偽造提供服務(wù)的報(bào)文，讓客戶(hù)端與自己連接，完成客戶(hù)端與服務(wù)端之間的消息傳遞。但區(qū)別就在于服務(wù)端廣播提供服務(wù)報(bào)文時(shí)，攻擊者會(huì)立刻向客戶(hù)端發(fā)送一條偽造成服務(wù)端身份的單播停止提供服務(wù)報(bào)文，同時(shí)再把自己偽造的服務(wù)廣播在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。

與復(fù)制攻擊相比，斷連攻擊會(huì)讓客戶(hù)端斷絕與服務(wù)端建立連接的機(jī)會(huì)，無(wú)論它是已經(jīng)與客戶(hù)端相連還是剛選擇了服務(wù)端提供的服務(wù)。偽造StopOffer可以幫助攻擊者穩(wěn)定地與客戶(hù)端建立連接。

斷連攻擊看似更加好用，實(shí)際也存在一些限制。停止提供服務(wù)的報(bào)文必須要通過(guò)單播的方式發(fā)送到客戶(hù)端手中，這是因?yàn)橐坏┓?wù)端收到了這條消息，它會(huì)認(rèn)為存在其他服務(wù)端提供相同的服務(wù)，不會(huì)再提供重復(fù)服務(wù)。這樣就會(huì)導(dǎo)致中間人環(huán)境無(wú)法建立，因?yàn)榉?wù)端不會(huì)再對(duì)攻擊者轉(zhuǎn)發(fā)的請(qǐng)求進(jìn)行任何回復(fù)。由于單播這一限制條件，攻擊者必須知道對(duì)該服務(wù)感興趣的客戶(hù)端。換言之就是知道可能與服務(wù)端建立連接的客戶(hù)端的信息，這樣才能成功將單播的斷連報(bào)文發(fā)送到客戶(hù)端手中，達(dá)成后續(xù)目的。

圖 9 服務(wù)提供上的斷連攻擊

（3）發(fā)布訂閱上的攻擊

前2種攻擊在成功后，表現(xiàn)形式均為能夠正常轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求/回復(fù)數(shù)據(jù)。除了轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求或回復(fù)的數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)退訂的操作最終導(dǎo)致可以轉(zhuǎn)發(fā)事件信息。圖10清晰地展示了整個(gè)流程：

服務(wù)端還是按照慣例廣播自身提供的服務(wù)，接著客戶(hù)端和攻擊者都訂閱了服務(wù)端的事件組，并收到了服務(wù)端的確認(rèn)幀，此時(shí)說(shuō)明服務(wù)端也記錄下了客戶(hù)端和攻擊者分別的斷端點(diǎn)信息。

然后攻擊者會(huì)通過(guò)上面2種服務(wù)提供上的攻擊的其中一種，讓客戶(hù)端信任自己具有它需要的服務(wù)事件組，客戶(hù)端就會(huì)訂閱攻擊者的事件組。攻擊者一收到訂閱報(bào)文，就會(huì)回復(fù)確認(rèn)幀，并立刻偽造一條包含客戶(hù)端端點(diǎn)信息的退訂事件組報(bào)文，讓服務(wù)端不再將事件信息發(fā)送給客戶(hù)端。而此時(shí)，攻擊者與服務(wù)端之間的連接還存在，因此可以把服務(wù)端的事件更新信息轉(zhuǎn)發(fā)給客戶(hù)端，達(dá)到中間人攻擊的環(huán)境。

圖 10 發(fā)布訂閱上的攻擊

編輯：黃飛

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