Table Of ContentMultilayered Security and Privacy
Protection in Car-to-X Networks
Hagen Stübing
Multilayered Security
and Privacy Protection
in Car-to-X Networks
Solutions from Application
down to Physical Layer
Hagen Stübing
Darmstadt, Germany
Darmstädter Dissertation
D17
ISBN 978-3-658-02530-4 ISBN 978-3-658-02531-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-02531-1
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Acknowledgments
Firstandforemost,Iwouldliketoexpressmygratitudetomysupervisorandgreatmentor
ProfessorSorinA.Huss. Ihavebeenamazinglyfortunatetohaveanadvisor,whogaveme
the freedom to explore different exciting ideas at once, while always guiding me with the
rightscientificadvice. Iappreciatehisopennessespeciallyforunconventionalideasandfor
givingmyworkdirection. Hehasalwaysbeenavailabletoadviseandtosupportmeduring
mystudies.
I am glad to have won Professor Frank Kargl as a further referee. He is considered to be
a leading expert in the field of ITS security and privacy and I enjoyed working with him
onasecureandprivacy-friendly C2Xcommunicationwithin theCar2Car Communication
Consortium. Thanksforhisinterestandagreementtosupervisethiswork.
ThefinancialsupportoftheAdamOpelAGisgratefullyacknowledged,andIwouldliketo
thankmycolleaguesattheAdvancedEngineeringDepartmentfortheircontinuoussupport
during the last four years. Special thanks go to Harald Berninger and Steffen Knapp for
reviewingpartsofthisthesisandforgivingmegreatfeedbackduringmystudies. Further
thanksgotoBerndBu¨chsforbeingahelpinghandduringtheexperimentationphaseand
forprovidingmewiththelatestDilbertstripseverymorning.
I am very thankful to Professor Katzenbeisser and the Security Engineering Group at
CASED Darmstadt for giving me advice on appropriate verification methods and tools,
whichwasveryhelpfultoroundoffthiswork.
AnothergroupofpeopleIwouldliketothankarethemembersoftheWorkingGroupSecu-
rityoftheCar2CarCommunicationConsortium. Itwasatruepleasureworkingwitheach
ofyou,andIamespeciallythankfulfortheveryconstructiveandalwaysfriendlyworking
spirit inside our Task Force PKI. I am sure that our work bears fruit and this exciting
Car2Cartechnologywillbecomerealityinthecomingyears.
Moreover I wanted to thank Jonas Firl and Attila Jaeger for the inspiring discussions we
had, including, but not limited to technical and academical issues only. Thank you for at
leasttryingtodebateandsolvealltheworld’slargestpoliticalandeconomicalproblemsat
once. Ienjoyedourlittletalksanditwasalwaysapleasureworkingwithyou. Besidesthat,
thanksfortheexcellentreviewofthiswork.
ThankstoProfessorAbdulhadiShoufanforimprovingmyacademicwritingskillsandforbe-
ingapersonalrolemodeltomeovertheyears. FurtherthanksgotoTomAssmuth,Alexan-
der Biedermann, Gregor Molter, Maria Tiedemann, and Marc St¨ottinger. You brightened
upmyuniversitystaysduringtheweek. AtOpelthispartbelongstomyPh.D.colleagues
GeraldSchmidt,ThomasSchramm,OliverJung,RamiZarifeandThomasStreubel. Thanks
toyouall.
VI Acknowledgments
IowemylovingthankstomyenchantinggirlfriendKathrin,mybrother,mygrandparents,
myaunts,myuncles,andmycousins,whichhaveallbeenaconstantsourceoflove,support
andstrengthalltheseyears. Withouttheirencouragementandunderstandingitwouldhave
beenimpossibleformetofinishthiswork.
Lastly, andmostimportantly, Iwishtothankmyparents, BrigitteandHartmutStu¨bing.
TothemIdedicatethisthesis.
BestenDank! Mayyouallbenefitfromasecureandprivacy-friendlyCar2CarCommunica-
tioninthenearfuture!
Zusammenfassung
DieCar-to-X(C2X)KommunikationgiltalseinedervielversprechendstenTechnologienzur
aktiven Unfall- und Stauvermeidung. Fahrzeuge tauschen dabei unter sich, sowie mit In-
frastruktureinrichtungenaktuelleMobilit¨atsdatensowieMeldungenzum¨oglichenGefahren
aus. Eigens fu¨r die C2X Kommunikation wurde der WLAN Standard 802.11p entwickelt,
der die Verbindung aller Teilnehmer im Ad-hoc Modus mit Kommunikationsreichweiten
biszumehrerenhundertMeternerlaubt.InderC2X-KommunikationversendenFahrzeuge
mehrmalsinderSekundeihreeigenenMobilit¨atsdaten,wiePosition,Geschwindigkeitund
Fahrtrichtung in Form von sogenannten Cooperative Awareness Messages (CAMs). Diese
Nachrichten k¨onnen von umliegenden Fahrzeugen ausgewertet werden, um den Fahrer vor
m¨oglicheKollisionenrechtzeitigzuwarnen.DetektiertdasFahrzeugbesondereVerkehrser-
eignisse,wiebeispielsweiseGlatteis,einStauendeoderHindernisseaufderFahrbahn,wer-
denDezentralizedEnvironmentNotificationMessages(DENMs)generiertundu¨bermehrere
FahrzeugeviaMulti-hopKommunikationimrelevantenGebietverteilt.
Damit sich die C2X-Kommunikation erfolgreich etablieren kann, muss der Anwender von
derSicherheitdesSystemsu¨berzeugtundderSchutzseinerPrivatsph¨aresichergestelltsein.
Die aktuelle Sicherheitsl¨osung sieht vor, die Nachrichtenintegrit¨at sowie Sender Authenti-
zit¨atmittelsdigitalerSignaturenundZertifikatesicherzustellen.DiezugrundeliegendePu-
blic Key Infrastruktur (PKI) wird momentan vom Car2Car Communication Consortium
(C2C-CC) entwickelt und von der ETSI (European Telecommunications Standards Insti-
tute) standardisiert. In dieser Arbeit wird der aktuelle Entwicklungsstand hinsichtlich der
PKIGesamtarchitektursowiezugeh¨origeProtokolledetailliertvorgestellt.
DieAbsicherungderC2X-Kommunikationu¨berKryptographiestellteinenotwendige,wenn
auch nicht v¨ollig ausreichende Maßnahme zur Verifikation von empfangenen Nachrichten
dar. So k¨onnte zum Beispiel ein Angreifer mit fortgeschrittenen Kenntnissen versuchen,
u¨berdasinterneFahrzeugnetzZugriffaufgeheimeSchlu¨sselzuerhalten,umdamitgef¨alschte
Nachrichtenzusignieren.EinAngreiferamStraßenrand,deranbeliebigenPositionenz.B.
Vollbremsungen simuliert, stellt eine erstzunehmende Gefahr fu¨r alle Verkehrsbeteiligten
dar.AucheinVort¨auschenvonFahrzeugenaufKollisionskursannichteinsehbarenKreuzun-
gen kann zu einer Fehleinsch¨atzung und Fehlwarnung der Applikation auf Empf¨angerseite
fu¨hren,wasunvorhersehbareAusweichman¨overdesFahrerszurFolgehabenkann.Einsol-
cher Angreifer ist mittels kryptographischer Verfahren nicht zu detektieren und erfordert
komplement¨areTechnikenbasierendaufeinerAnalysedesNachrichteninhaltes.
IndieserArbeitwirdeinmehrstufigesU¨berpru¨fungsverfahrenvonC2X-Nachrichtenvorge-
schlagen. In einer ersten Stufe werden die in einer Nachricht enthaltenen Mobilit¨atsdaten
bezu¨glichphysikalischerRahmenbedingungenbewertet.Istdieseerfolgreichabgeschlossen,
wirddieseNachrichtinBezugaufallezuvorerhaltenenNachrichtenanalysiert.Dabeiwird
eingeeignetesMobilit¨atmodellverwendet,umvorhergesagteMobilit¨atsdatenmittats¨achlich
erhaltenen Daten abzugleichen und auf Plausibilit¨at zu u¨berpru¨fen. Das angewandte Mo-
bilit¨atmodell wurde in laufenden Feldtests implementiert und hat sich in den meisten Si-
VIII Zusammenfassung
tuationen als zuverl¨assiger Sch¨atzer fu¨r die Bewegungspr¨adiktion herausgestellt. In hoch
dynamischen Verkehrssituation, wie beispielsweise pl¨otzlichen U¨berholvorg¨angen oder ab-
ruptenBremsvorg¨angen,istdasMobilit¨atsmodelljedochzutr¨age.Derspontanauftretende
laterale bzw. longitudinale Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nachrichten fu¨hrt
zu einer inkorrekten Pr¨adiktion und in Folge dessen zu einer fehlerhaften Evaluation der
Nachricht. In einer dritten Verifikationsstufe kommt daher in dieser Arbeit ein Verfahren
zur Man¨overerkennung mittels Hidden Markov Models zum Einsatz, mit Hilfe dessen die
zweiteVerifikationsstufeentsprechendkalibriertwerdenkann.DasentwickelteVerifikations-
Frameworkwurdevollst¨andiginFahrzeugenimplementiertundaufseineWirksamkeithin
untersucht.
W¨ahrend bei der Datenauthentizit¨at und Plausibilit¨at auf zuvor beschriebene Verfahren
zuru¨ckgegriffenwerdenkann,istdieeffektiveSicherstellungdesDatenschutzesGegenstand
laufenderForschung.DurchdasAnh¨angeneineseindeutigenZertifikatesanjedeversendete
CAMNachricht,istesm¨oglich,dieaktuellePositionundIdentit¨ateinesFahrzeugseindeutig
festzustellen.Daru¨berhinauserlaubtdiehoher¨aumlicheundzeitlicheAufl¨osungderenthal-
tenenPositionsdateneinegenaueAnalysedesFahrverhaltens.DerSchutzderPrivatsph¨are
ist nicht nur aus rechtlichen Hintergru¨nden zwingend erforderlich, sondern stellt vielmehr
eineGrundbedingungfu¨rdieAkzeptanzderTechnologieinderBev¨olkerungdar.
Um die Nachverfolgung von Fahrzeugen durch m¨ogliche Angreifer zu erschweren, hat sich
das C2C-CC auf ein einfaches Verfahren basierend auf einer Pseudonymisierung geeinigt.
Dabei wechselt ein Fahrzeug nach bestimmten Zeitabst¨anden alle statischen Merkmale in-
nerhalbeinerNachricht.DieseeinfacheFormderPseudonymisierungbietetlediglichSchutz
gegenu¨ber schwachen Angreifern, die nur lokal Zugriff auf versendete Nachrichten haben.
Mehrere Untersuchungen, die innerhalb verschiedener Forschungsprojekte angestellt wur-
den,habenergeben,dasseinAngreifer,derunmittelbareinenPseudonymwechselbeobach-
tet, diesen aufgrund des r¨aumlichen und zeitlichen Zusammenhangs in den meisten F¨allen
wieder au߬osen kann. Der Ansatz der Pseudonymisierung stellt somit lediglich eine Grun-
dabsicherungdar,dieumentsprechendeMaßnahmenzueffektivenSchutzderPrivatsph¨are
gegenu¨bereinemglobalenAngreifererweitertwerdenmuss.
IndieserArbeitwurdeeindezentralesPrivacy-Protokollentwickelt,welchesesTeilnehmern
erm¨oglicht, zyklisch einen geheimen Gruppenschlu¨ssel zu bestimmen. Zur Berechnung des
Gruppenschlu¨sselswurdenzweialternativeAns¨atzeuntersucht.NacheinemerstenAnsatz
werden Schlu¨sselfragmente von jedem Teilnehmer einzeln erzeugt und in verschlu¨sselter
Form an alle anderen Teilnehmer versendet. Der gemeinsame Gruppenschlu¨ssel berechnet
sich dann aus einer Konkatenation aller Fragmente. Fu¨r das zweite Verfahren wurde ein
n-partyDiffie-HelmanVerfahrenaufdashochdynamischeC2X-Umfeldu¨bertragen.Einge-
meinsamergeheimerGruppenschlu¨sselerlaubtesGruppenmitgliedern,gleichzeitigauthen-
tifizierbare Nachrichten zu senden, ohne die eigene Identit¨at preiszugeben. Das beschrie-
bene Protokoll erzeugt damit eine dynamische Mix Zone, innerhalb dessen Fahrzeuge sich
vermischenundsomitihrPseudonymwechselnk¨onnen,ohnedaseinAngreiferdenWech-
sel zuordnen kann. Um die minimal notwendige Gruppendauer zu bestimmen, wurde das
Protokollvollst¨andigimplementiertundmitneuestenVerkehrs-undKommunikationssimu-
latorenevaluiert.EinReferenzangreiferwurdemodelliertundderGradderAnonymit¨atin
Abh¨angigkeitvonderGruppendauerundderVerkehrsdichteuntersucht.Eskonntegezeigt
werden,dasdasbeschriebeneVerfahrendieVerfolgbarkeiteinzelnerFahrzeugedeutlichim
VergleichzureinfachenPseudonymisieriungverringert.
Zusammenfassung IX
AufphysikalischerSchichtwirddasobenbeschriebenePrivacy-Protokolldurchdenneuarti-
genAnsatzdesSecureC2XBeamformingwirkungsvollunterstu¨tzt.DieC2X-Kommunikation
basiertmomentannochaufAntennen,dieeinomni-direktionalesFeldfu¨rdasSendenund
Empfangenaufweisen.Dadurchk¨onnenauchunerwu¨nschteParteienamStraßenrandindas
Kommunikationsfeld eingebunden werden. Um b¨oswillige Angreifer daran zu hindern, die
Verkehrssicherheit durch verf¨alschte Nachrichten zu gef¨ahrden oder die Privatsph¨are der
FahrerdurchdenEmpfangihrerDatenzuverletzen,isteineTechnikerforderlich,dieinder
Lageist,sowohldasSende-alsauchdasEmpfangsfeldderAntennezuadaptieren.
Die Entwicklung des Secure C2X Beamforming Ansatzes geht auf eine Analyse der ver-
schiedenenC2X-ApplikationenunddendamitverbundenenNachrichtenzuru¨ck.Vergleicht
mandasAusbreitungsgebieteinerNachrichtmitdessentats¨achlichenRelevanzbereich,stellt
man fest, dass fu¨r keine C2X-Applikation ein omni-direktionales Antennenfeld zwingend
erforderlich ist. Ziel des Secure C2X Beamforming ist es daher, mittels eines geeigneten
Antennensystems das Sendefeld so zu formen, dass es mit dem tats¨achlichen Relevanzbe-
reichderNachrichtu¨bereinstimmt.UmeinsolchesAntennensystemzudefinieren,wurdeein
tool-gestu¨tzterDesignablaufvorgestellt.EinededizierteMetriksollesAntennenentwicklern
erm¨oglichen,verschiedeneAusbreitungs-Charakteristikenbezu¨glichderenSicherheitseigen-
schaftenquantitativzuuntersuchen.DerbeschriebeneDesignablaufwurdebeispielhaftauf
ein generisches Antennenarray Model, sowie auf ein bereits bestehendes Antennensystem
auslaufendenFeldtestsangewandt.
DievorgestelltenAns¨atzeundKonzeptesindinnerhalbdesITS-Referenzmodelles(einemauf
das C2X-Szenario angepassten ISO/OSI Modell) auf verschiedenen Schichten angesiedelt.
Die Verfahren bauen aufeinander auf und sind so abgestimmt, dass diese sich gegenseitig
in ihrer Wirksamkeit unterstu¨tzen. So erm¨oglichen zum Beispiel Zertifikate und Signatu-
ren,dieaufApplikations-Schicht erzeugtwerdenaufNetzwerk-Schicht Gruppenteilnehmer
innerhalbdesPrivacy-ProtokollszuauthentifizierenundsichereKommunikationskan¨aleaus-
zubilden. Die Plausibilit¨atspru¨fung ist auf der sogenannten Facility-Schicht, einer eigenen
C2X-Schicht zwischen Netzwerk und Applikationsschicht, angesiedelt und erm¨oglicht es,
nichtvertrauenswu¨rdigeTeilnehmervonderGruppenbildungauszuschließen.Aufderphy-
sikalischenSchicht werdendaru¨berliegendeVerfahrenwirkungsvolldurcheineReduzierung
desSendefeldesaufdietats¨achlichenAdressateneinerNachrichtunterstu¨tzt.Imspeziellen
fu¨rdasPrivacy-Protokollistesdaherauchm¨oglich,w¨ahrendderGruppenbildungsphaseex-
plizit nurGruppenmitgliederin die Kommunikation einzubeziehen. Dadurch bekommt ein
m¨oglicherAngreiferreduzierteKenntnisseu¨berdietats¨achlicheGruppenzusammensetzung,
wasdieNachverfolgbarkeitinnerhalbderGruppezus¨atzlicherschwert.
Abbreviations
ACC AdaptiveCruiseControl
AES AdvancedEncryptionStandard
AOA AngleofArrival
ART AcceptanceRangeThreshold
ASIC Application-SpecificIntegratedCircuit
AT AcceptanceThreshold
AU ApplicationUnit
BER BitErrorRate
BN BayesianNetwork
BSA BasicSetofApplications
C2C Car-to-Car
C2C-CC Car2CarCommunicationConsortium
C2CGE Car2CarGroupEstablishment
C2I Car-to-Infrastructure
C2X Car-to-X
CA CertificationAuthority
CAM CooperativeAwarenessMessage
CAN ControllerAreaNetwork
CCH ControlChannel
CCU CommunicationControlUnit
CRL CertificateRevocationList
CSMA CarrierSenseMultipleAccess
DA DisseminationArea
DECT DigitalEnhancedCordlessTelecommunications
DENM DecentralizedEnvironmentNotificationMessage
DH Diffie-Hellman
DIAMANT Dynamische Informationen und Anwendungen zur Mobilit¨atssicherung
mitAdaptivenNetzwerkenundTelematik-Infrastruktur
DoS Denial-of-Service
ECC EllipticCurveCryptography
ECDSA EllipticCurveDigitalSignatureAlgorithmus
EEBL EmergencyElectronicBreakLight
EIRP EquivalentIsotropicallyRadiatedPower
ESC ElectronicStabilityControl
ETSI EuropeanTelecommunicationStandardsInstitute
EU EuropeanUnion
FGSV Forschungsgesellschaftfu¨rStraßen-undVerkehrswesen
FNR FalseNegativeRate
FOT FieldOperationalTrials
FPR FalsePositiveRate
