【摘 要】
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CAN（Controller Area Network）是汽车中迄今为止最具代表性,且还在普遍研究的车载总线技术,其由于低成本、实时性、灵活性等优点已被普遍应用在汽车电子系统中长达30多年的时间。随着现代车辆功能需求的不断提高,联网车辆复杂的电子系统的不断增加使得车内电子控制单元（ECU）大量增加,车内通信网络遭受恶意攻击的风险越来越高。目前大量专家学者针对CAN总线进行了诸多的安全和改进研究,但
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（可证明的网络和数据匿名性及隐私增强身份管理关键技术No.61462060）； 国家自然科学基金资助项目（工业控制网络协议形式化建模及其安全评估No.61762060）； 甘肃省教育厅兰州理工大学网络与信息安全创新团队No.2017C-05；
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CAN（Controller Area Network）是汽车中迄今为止最具代表性,且还在普遍研究的车载总线技术,其由于低成本、实时性、灵活性等优点已被普遍应用在汽车电子系统中长达30多年的时间。随着现代车辆功能需求的不断提高,联网车辆复杂的电子系统的不断增加使得车内电子控制单元（ECU）大量增加,车内通信网络遭受恶意攻击的风险越来越高。目前大量专家学者针对CAN总线进行了诸多的安全和改进研究,但是缺乏通用的CAN总线上安全协议形式化建模分析和安全评估及安全问题的处理方法,缺少直观反映车载通信协议交互流程的模型,而关键部件ECU有实时性和有效数据载荷的限制,车内通信网络的安全问题至今并没有得到很好解决。本文以目前应用范围较广的基于CAN的车载安全通信协议进行研究,采用一种基于着色Petri网（CPN）和改进后的Dolev-Yao攻击模型相结合的协议模型检测方式完成安全评估,最后提出改进后及针对关键部件ECU的一套新方案。主要研究工作如下:1.采用CPN Tools建模工具,根据协议规范对基于CAN的车载安全通信协议进行基于CPN的形式化分层建模,改进原始Dolev-Yao攻击者模型,采用消息分解合成和参数化攻击的改进后的一套Dolev-Yao攻击者模型,将其引入到协议模型中,对协议完成状态空间的安全检查并进行模型一致性验证;2.通过对协议安全检查后产生的状态空间,分析并编写ML语言程序,发现协议有无法抵御重放,欺骗等中间人攻击的漏洞及各种脆弱性,提出了一套轻量级的基于CAN的车载安全通信协议安全性增强设计改进协议,采用数字签名结合Hash函数,并对改进后的协议进行功能性和安全性及有效性的形式化分析及验证,结果得出改进协议提高了安全性,改善了原始协议的漏洞。3.针对车辆关键部件的ECU需要满足实时性和有限数据载荷的需求,提出了一套基于身份密码体制的关键部件认证协议,协议采用随机数、数字签名、Hash函数等安全机制,引入Dolev-Yao攻击者模型并用形式化评估方法对此协议进行安全验证,评估结果表明协议确保了实时性的同时可有效防止重放,欺骗,篡改中间人攻击。
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