Sicurezza delle comunicazioni automobilistiche: dalle reti intra-veicolari a quelle inter-veicolari

Cooperative Intelligent Transportation Systems (C-ITS) are being adopted with the aim to reduce emissions, and commuting time, and increase safety, with direct benefits on the quality of life of people. However, the increasing adoption of C-ITS solutions requires the development of new network models that can satisfy the diverse requirements of C-ITS applications. Vehicular Ad-Hoc NETworks (VANETs) is one of these technologies designed to enable communication between road infrastructure services, road users, and vehicles. Once the VANET is deployed, Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication allows the different entities to broadcast periodic messages to announce their state (such as position, heading, and speed) with transmission ranges up to 1000 meters in ideal conditions. However, designing and implementing this complex system is a challenging task. For example, VANETs must support a highly heterogeneous environment composed of vehicles and boards produced by different manufacturers, while also complying with the strict C-ITS constraints in terms of latency of the communication and dynamic configuration of the network. Moreover, to prevent attacks on the C-ITS, with consequences on the safety of all road users, all communication must be authenticated. This thesis focuses on the security of automotive communication, ranging from a single vehicle to a complex communication network composed of vehicles and infrastructure. The first part of this thesis targets intra-vehicle communication presenting a benchmark framework designed to compare algorithms targeting the security of the communication between microcontrollers found in modern vehicles This framework is used to compare different CAN bus detection algorithms and test their performance on two different publicly available datasets. In the second part of this work, the focus shifts toward inter-vehicle communication in three macro areas. The first area regards the study of V2X applications and their utility in realistic scenarios, including both safety-related applications for emergency vehicles and commercial applications. The second area regards the application of cryptography to secure V2X communications. This field includes the analysis of the applicability of the current cryptographic standards for V2X communication, and the proposal of a new cryptographic scheme to improve their performance. The last contribution regards the development of a new class of internal dynamic attacks to VANET and the proposal of two new approaches for detecting misbehavior and position falsification attacks.

L'incremento nell'adozione dei Sistemi di Trasporto Intelligenti e Cooperativi (C-ITS) ha l'obiettivo di ridurre le emissioni, i tempi di percorrenza e aumentare la sicurezza, con benefici diretti sulla qualità della vita delle persone. Tuttavia, l'implementazione di soluzioni C-ITS richiede lo sviluppo di nuovi modelli di rete in grado di soddisfare i diversi requisiti delle applicazioni C-ITS. Vehicular Ad-Hoc NETworks (VANETs) è una di queste tecnologie, progettata per consentire la comunicazione tra l'infrastruttura stradale, gli utenti della strada e i veicoli. Le VANET sono progettate per migliorare l'esperienza di guida attraverso la comunicazione diretta tra i veicoli (V2V), consentendo alle diverse entità di trasmettere il proprio stato (come posizione, direzione e velocità) tramite messaggi periodici con distanze di trasmissione fino a 1000 metri in condizioni ideali. Tuttavia, le VANET devono supportare un ambiente altamente eterogeneo composto da veicoli e dispositivi elettronici di diversi produttori, rispettando anche i vincoli di latenza della comunicazione e configurazione dinamica della rete caratteristici degli scenari C-ITS. Inoltre, per prevenire accessi non autorizzati, è anche necessario che tutte le comunicazioni siano autenticate in modo da prevenire attacchi che potrebbero avere ripercussioni sulla sicurezza di tutti gli utenti della strada. Questa tesi si concentra sulla sicurezza delle comunicazioni automobilistiche, considerando sia la rete interna di un singolo veicolo, sia reti di comunicazione composte da diversi veicoli e l'infrastruttura. La prima parte di questa tesi riguarda le comunicazioni all'interno del veicolo, presentando un framework progettato per confrontare algoritmi mirati alla sicurezza della comunicazione tra microcontrollori presenti nei veicoli moderni. Questo framework è stato utilizzato per confrontare diversi algoritmi di rilevamento di anomalie del CAN bus e testarne le prestazioni su due diversi set di dati pubblicamente disponibili. Nella seconda parte di questo lavoro il focus si è spostato sulle comunicazioni interveicolari e comprende tre macro aree. La prima riguarda lo studio di nuove applicazioni V2X e della loro utilità in scenari realistici, includendo sia applicazioni destinate ad aumentare la sicurezza stradale, sia applicazioni destinate ad offrire servizi di pubblica utilità. La seconda riguarda l'analisi dell'applicabilità degli attuali standard crittografici, sviluppati per garantire la sicurezza delle comunicazioni veicolari e la proposta di un nuovo schema crittografico per migliorare le prestazioni degli standard attuali. L'ultimo contributo riguarda lo sviluppo di una nuova classe di attacchi dinamici interni a VANET e la proposta di due nuovi approcci atti a rilevare comportamenti anomali dei veicoli.