充电桩勒索攻击(CPRA)技术详解

1. 研究背景与动机

随着智能电动汽车的普及，车联网安全日益受到重视。充电桩作为智能电车与外界唯一的有线连接端口，其安全性研究相对较少。本研究旨在发现充电桩通信协议中的漏洞，提出一种新型勒索攻击技术——充电桩勒索攻击(CPRA)，以帮助厂商提高产品安全性。

2. 攻击面分析

智能电车的主要攻击面包括：

• 无线信号攻击(Wi-Fi、蓝牙、射频等)
• 有线连接攻击(充电桩接口)
• 车载系统漏洞

充电桩作为唯一有线接口具有以下特点：

• 普遍存在于所有智能电车
• 研究较少，攻击面相对隐蔽
• 可实现"通杀"效果，不限于特定车型

3. 技术实现细节

3.1 固件获取与逆向

由于充电桩固件难以通过常规渠道获取，研究团队采用以下方法：

1. 采购目标充电桩设备
2. 物理拆解充电桩
3. 使用热风枪拆卸MCU芯片
4. 通过JTAG/SWD接口或专用烧录器提取固件
5. 对RTOS系统进行逆向工程分析

3.2 协议漏洞发现

通过逆向分析发现以下关键漏洞：

• 通信协议缺乏必要认证机制
• 攻击者可伪造报文与服务器主站通信
• 可发送虚假状态报文导致服务器错误响应
• 可中断正常充电进程并接管控制权

3.3 CPRA攻击流程

常规CPRA攻击分为四个阶段：

1. 停用攻击阶段

   • 攻击者发送虚假状态报文
   • 服务器将充电桩状态改为离线
   • 取消App上的充电订单
   • 断开车主对车辆的控制

2. 接管控制阶段

   • 充电桩恢复在线状态
   • 攻击者启动新订单接管充电过程
   • 发送伪造心跳包维持控制
   • 阻止用户通过App停止充电

3. 勒索信息发送

   • 通过App通信渠道发送匿名勒索信息
   • 构造任意勒索短信(通过抓取报文cookie)

4. 赎金交付与解锁

   • 受害者支付赎金
   • 攻击者停止充电进程
   • 告知解锁方法释放车辆

3.4 物理插件设计

针对Tesla等车型的CC信号检测机制，设计了专用物理插件：

插件组成：

• 金属环
• 特殊电缆(220Ω电阻)
• 绝缘套管

工作原理：

• 固定CC电路阻抗(220Ω)
• 使充电枪开关失效
• 车辆无法检测到CC信号变化
• 维持充电口死锁状态

安装特点：

• 不影响正常充电功能
• 外部不可见
• 可适配多种充电枪型号

3.5 PWM信号劫持技术

通过CP线进行进阶攻击：

1. 监控充电站后台获取目标信息
2. 发送错误状态报文终止正常充电
3. 启动新充电进程接管控制
4. 使用MCU和射频芯片生成虚假PWM信号
   • 替代车辆真实CP线信号
   • 控制充电功率至最低或零
5. 延长充电时间同时限制实际充电量

4. 实验验证结果

4.1 受影响车型

常规CPRA有效车型：

• 大众ID.4

安装物理插件后有效车型：

• Tesla Model S
• 荣威RX5

4.2 受影响充电桩品牌

• 特来电充电桩
• 星星充电充电桩

4.3 攻击效果展示

1. 勒索信息成功发送至用户App
2. 支付赎金后可正常解锁
3. 充电进程完全受攻击者控制
4. 充电功率可被任意调节

5. 防御建议

5.1 协议层防御

• 实现强身份认证机制
• 增加报文完整性校验
• 使用加密通信通道
• 实施双向认证

5.2 硬件层防御

• 改进充电枪物理设计
• 增加防篡改检测机制
• 实现多因素信号验证

5.3 系统层防御

• 实时监控异常状态变化
• 建立异常行为检测系统
• 实现安全审计日志

6. 伦理与披露

• 已向GeekPwn竞赛组委会报告漏洞
• 获得CNVD漏洞编号
• 所有测试均在自有车辆上进行
• 研究目的为提高行业安全性

7. 未来研究方向

1. 更隐蔽的攻击硬件设计
2. RTOS系统实时安全防护方案
3. 充电桩固件安全更新机制
4. 车-桩协同安全认证协议
5. 充电基础设施整体安全架构

8. 参考资料

1. 原始研究论文: https://dx.doi.org/10.14722/vehiclesec.2023.23024
2. 演示视频: https://github.com/Moriartysherry/ransom
3. Wolf M, et al. "Wannadrive? Feasible attack paths and effective protection against ransomware in modern vehicles". Proc. ESCAR Europe, 2017.