汽车 SOA 架构下的信息安全新问题及对策漫谈

摘要：随着汽车行业的快速发展，客户和制造商对车辆功能的新需求促使汽车架构从面向信号向面向服务的架构（SOA）转变。本文详细阐述了汽车 SOA 架构的协议、通信模式，并与传统架构进行对比，深入分析了 SOA 给信息安全带来的挑战与机遇。进一步探讨了防火墙、入侵检测系统（IDS）和身份与访问管理（IAM）等安全对策，结合具体的混合架构案例，研究现有安全措施在 SOA 架构下的适应性及独特安全特性，旨在为汽车信息安全领域提供全面的理论与实践参考。

一、引言

在当今汽车领域，一场深刻的变革正在上演，汽车正从传统的硬件定义平台迅速转型为软件定义平台，软件已然成为推动汽车创新发展的核心动力。自动驾驶功能的逐步完善极大地提升了道路交通安全水平，车辆通过应用商店与互联网的连接实现了与用户日常生活的深度融合，而电气化与共享出行服务的兴起则为环保出行开辟了新路径，这些突破性的功能实现无一不依赖于先进的软件技术。曾经以简单微控制器为核心的电子控制单元（ECUs），如今已演变为能够承担自动驾驶人工智能等高复杂度任务的强大计算设备。由 ECUs、网络连接及运行其上的软件共同构成的电气和电子架构（E/E 架构），成为汽车行业创新发展的关键要素，软件和 E/E 市场的预期增长速度显著超越整个汽车市场的增长步伐，有力地证明了这一点。

为了更好地支持连接性、电气化、共享出行和自动驾驶等前沿技术的发展，汽车 E/E 架构设计正经历着一场意义深远的范式转变。当前的车辆架构通常包含多达 150 个 ECUs 以及约 300 万个已实现的功能，这些元素通过控制器局域网（CAN）等总线系统紧密相连，并按照动力系统、底盘等不同域进行组织架构。然而，传统的在设计阶段静态定义发送器 - 接收器依赖关系且高度聚焦于 ECU 开发的方法，在面对系统扩展和功能修改需求时显得捉襟见肘。

在市场动态变化和客户需求持续演进的驱动下，车辆架构朝着更加集中化的方向发展，面向服务的架构（SOAs）顺势成为这一变革进程中的关键支撑。SOAs 打破了传统的静态通信模式，允许在运行过程中动态建立通信关系，无需在 ECUs 上预先映射静态依赖关系。它凭借更高的灵活性、对底层硬件和传感器的出色抽象能力，以及对外部服务和按需功能的强大集成能力，成为提升车辆系统更新升级能力的核心要素。特别是在标准化操作系统蓬勃发展的背景下，SOA 能够实现对整个车辆生态系统信息的动态、透明且便捷的访问。例如，当车辆应用程序需要传感器信息时，既可以从车辆内部的控制单元获取，也可以通过空中下载（OTA）技术从原始设备制造商（OEM）的后端获取环境数据。对于已投入使用的车辆，SOA 使得功能更改和新功能集成变得更加简便易行，用户可以像订阅服务一样轻松获取所需信息或功能。

与此同时，为了适配这一新的通信范式，汽车行业积极引入新的网络技术和协议。在过去几十年中一直占据车辆内部通信主导地位的可靠 CAN 协议，正逐渐被汽车以太网技术所取代，以满足在数据速率、互操作性和信息安全等方面日益增长的需求。在 ISO/OSI 模型的较高层（5 - 7 层），基于 IP 的可扩展面向服务中间件（SOME/IP）和数据分发服务（DDS）等协议得到广泛应用，并在汽车开放系统架构（AUTOSAR）自适应标准中得以规范。尽管部分技术具有汽车行业的独特性，但总体而言，随着标准化操作系统和通用计算平台的应用，E/E 架构呈现出向普通 IT 网络架构靠拢的趋势。

然而，随着车辆连接性的不断增强和服务数量的持续增长，信息安全问题日益凸显，成为汽车行业不容忽视的关键质量因素。近年来，诸多研究表明，以往基于信号的车辆架构（主要依赖 CAN 协议）存在诸多安全漏洞，容易遭受各类攻击。在现代汽车的发展进程中，车联网功能的普及使得车辆与外部网络的连接愈发紧密，车辆能够为用户提供实时交通信息查询、远程控制等丰富多样的服务。但这也带来了潜在的风险，更多的连接和服务意味着更大的攻击面。由于早期基于 CAN 协议的车辆架构设计并未充分考虑到当前复杂多变的网络安全环境，攻击者有可能利用 CAN 协议的固有漏洞，干扰车辆的正常运行，如篡改发动机控制信号、影响刹车系统等关键操作，这对驾乘人员的生命安全构成了严重威胁。因此，汽车信息安全成为学术界、行业界和标准化委员会共同关注的焦点领域。学术界积极投入研究，提出了一系列应对车辆攻击的防护措施，例如开发新型加密算法来保障车辆通信数据的机密性和完整性，设计更为先进的入侵检测系统以实时监测和发现潜在的攻击行为。同时，行业内也相继制定了诸如 SAE J3061、ISO/SAE 21434 或 AUTOSAR 安全车载通信（SecOC）等标准和指南，为汽车制造商和相关从业者提供了明确的规范和要求。这些标准和指南涵盖了车辆通信协议的安全机制设计、电子控制单元的访问控制策略制定等多个方面，有力地推动了整个汽车行业信息安全水平的提升，切实保障了车辆使用者的安全和隐私。

二、SOA 引发的安全问题剖析

（一）通信动态性带来的变革难题

在传统的面向信号的车辆通信架构中，以 CAN 总线通信为例，信号的发送者和接收者在设计阶段便已被静态确定，每个信号都拥有固定的标识符和传输路径，相应的安全措施如访问控制和消息验证等也是紧密围绕这种静态架构构建的。然而，在 SOA 架构下，通信关系呈现出高度的动态性，能够在车辆运行过程中随时建立和改变。例如，车辆的自动驾驶辅助系统在行驶过程中会根据实时路况动态地请求地图服务或传感器数据服务，这种动态变化的通信需求使得传统基于固定通信路径和节点的安全措施难以有效实施。传统的防火墙规则通常是基于固定的 IP 地址和端口进行设置的，但在 SOA 环境中，服务的调用可能涉及动态分配的 IP 和端口，这就导致原有的防火墙规则无法准确地对网络流量进行筛选和管控，从而使车辆网络面临更大的安全风险。

（二）数据速率提升引发的安全困境

随着汽车功能的日益丰富和智能化程度的不断提高，车辆对数据传输的需求呈现出爆发式增长。高清摄像头用于自动驾驶的环境感知、大量传感器实时采集并传输数据等应用场景，使得数据传输速率大幅攀升。在这种情况下，确保数据的保密性、完整性和可用性成为一项极具挑战性的任务。传统的安全算法和处理能力在面对如此高速的数据传输时往往显得力不从心，如果安全措施的处理速度无法跟上数据传输的节奏，就极有可能出现数据在传输过程中被窃取或篡改的情况，而系统却无法及时察觉和应对，这将对车辆的安全运行造成严重的潜在威胁。

（三）新协议涌现带来的适配挑战

为了满足 SOA 架构和新功能的需求，汽车领域引入了众多新的协议，其中 SOME/IP 和 DDS 等协议在服务发现和通信方面发挥着重要作用。这些新协议与传统的 CAN 等协议在功能和复杂性上存在显著差异。以 SOME/IP 为例，它支持多种通信模式并且具备独特的服务发现机制，这就要求其安全机制必须进行专门的设计和深入的考虑。不同协议可能存在各自独特的漏洞和攻击面，安全措施需要针对每种协议的特点进行精细的适配，这无疑大大增加了安全管理的难度和复杂性。例如，在保护 SOME/IP 通信安全时，需要考虑如何防止服务发现过程中的信息泄露以及如何确保不同通信模式下的数据安全传输，而这些问题在传统 CAN 协议的安全防护中并不存在。

（四）第三方服务集成带来的安全隐患

在汽车智能化和联网化的趋势下，车辆越来越多地集成第三方服务，如第三方提供的交通信息服务、远程诊断服务等。然而，这些第三方服务的安全性水平参差不齐，其中可能存在恶意软件或安全漏洞，这为攻击者提供了新的入侵途径。由于车辆原有的安全措施主要是针对自身系统和内部通信设计的，可能无法有效地检测和防范来自第三方服务的攻击。例如，攻击者可能利用第三方服务中的漏洞获取车辆系统的控制权，进而对车辆的关键功能进行恶意操作，严重危及车辆和驾乘人员的安全。

（五）标准化软件组件带来的风险因素

随着标准化操作系统和软件组件在汽车中的广泛应用，虽然在一定程度上提高了开发效率和系统兼容性，但也引发了新的安全问题。由于这些标准化组件在众多车辆中普遍使用，如果其中存在安全漏洞，将影响大量车辆的安全。而且，标准化组件的安全配置和管理需要专门的措施和技术手段。例如，确保操作系统的内核安全、及时且安全地更新软件组件等问题变得尤为重要，而这些在传统面向信号的 E/E 架构中相对较少遇到，需要汽车行业重新审视和应对。

三、应对策略探讨

在汽车架构从面向信号向面向服务转变的过程中，传统的基于信号的安全解决方案由于通信特性的根本性改变，无法直接应用于 SOA 架构，必须对其进行全面的重新审视和适应性调整。鉴于面向信号的部分安全措施原本就借鉴了经典信息技术（IT）手段，且当前汽车 SOA 架构与 IT 网络呈现出明显的融合趋势，深入研究 IT 领域的安全解决方案对于保障汽车 SOA 安全具有极为重要的意义。

在汽车领域的传统架构中，基于 CAN 总线等信号通信架构有着一套相对成熟但较为简单的安全措施，如基于静态消息 ID 的访问控制和基本的消息认证机制。然而，当转向 SOA 架构时，通信的动态性和复杂性使得这些传统安全方案难以发挥作用。例如，传统的防火墙规则在面对 SOA 环境下动态变化的服务调用和网络连接时显得无能为力，需要开发能够适应动态 IP 和端口分配的新型防火墙技术。在入侵检测系统（IDS）方面，需要利用先进的机器学习和人工智能技术，使其能够智能识别新协议下的异常网络行为和潜在攻击迹象。对于身份与访问管理（IAM），要构建更加精细和动态的权限管理体系，严格管控第三方服务和标准化软件组件的访问权限，确保只有经过授权的合法用户和服务能够访问车辆系统的关键资源。

同时，在借鉴 IT 安全技术方面，可以将 IT 网络中的先进加密技术应用于汽车 SOA 中，保障车辆与外部云服务之间通信的机密性和完整性，防止数据在传输过程中被窃取或篡改。例如，采用高强度的加密算法对车辆与云平台之间的数据交互进行加密处理，确保敏感信息的安全。在身份验证协议方面，可以引入多因素认证机制，结合密码、生物特征识别等技术，增强对车辆用户和服务提供者的身份验证强度，防止非法用户或恶意服务接入车辆系统。此外，还需要建立完善的安全审计机制，对车辆系统的运行状态和安全事件进行实时监控和记录，以便及时发现和追溯安全问题，为后续的安全改进提供有力的依据。

通过综合运用这些改进和创新的安全措施，构建一个多层次、动态的汽车 SOA 安全防护体系，能够有效地应对 SOA 架构下的各种安全挑战，确保车辆在新的技术架构下安全稳定地运行，切实保障驾乘人员的生命财产安全和隐私信息安全。在实际应用中，可以结合具体的车辆型号和使用场景，对安全防护体系进行定制化的优化和调整，以达到最佳的安全防护效果。例如，对于自动驾驶功能要求较高的车辆，可以重点加强对传感器数据传输和自动驾驶控制模块的安全防护；对于注重车联网服务的车辆，则需要强化对车辆与外部网络连接的安全管理和数据保护。

未来，随着汽车技术的不断发展和安全威胁的持续演变，汽车信息安全领域还需要持续投入研究和创新，不断完善安全防护体系，以适应新的技术变革和安全需求。同时，汽车行业各方应加强合作与交流，共同推动汽车信息安全标准的统一和技术的进步，为汽车行业的可持续发展提供坚实的安全保障。例如，汽车制造商、零部件供应商、安全研究机构和标准化组织可以建立联合研发平台，共同开展前沿安全技术的研究和测试，共享安全威胁情报和防护经验，促进整个汽车生态系统的安全水平提升。