360又“黑”了一輛特斯拉，干擾傳感器的“N”種方法

在上周關(guān)于Defcon的預(yù)告中，車云菌提到過(guò)將會(huì)有360的團(tuán)隊(duì)將會(huì)演示是如何通過(guò)欺騙，或者說(shuō)是干擾傳感器，來(lái)讓車上的半自動(dòng)駕駛系統(tǒng)做出錯(cuò)誤的決定。

本周一，360汽車信息安全實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人劉健皓與一同進(jìn)行這項(xiàng)課題研究的浙江大學(xué)教授/博士生導(dǎo)師徐文淵、浙江大學(xué)閆琛一起，在Defcon上共同進(jìn)行演示，介紹了是如何騙過(guò)特斯拉Model S上的超聲波傳感器、攝像頭和毫米波雷達(dá)。

自動(dòng)駕駛，包括現(xiàn)階段的半自動(dòng)駕駛，實(shí)現(xiàn)的過(guò)程都是通過(guò)安裝在車輛上的各類傳感器對(duì)車輛周圍的環(huán)境進(jìn)行感知，數(shù)據(jù)傳到分析處理單元，控制單元根據(jù)分析處理單元發(fā)送的結(jié)果得到判斷，進(jìn)而向車輛的執(zhí)行器發(fā)出命令，做出轉(zhuǎn)向、加速、剎車等不同的命令。

他們的切入點(diǎn)，就是在第一步，傳感器感知周圍環(huán)境時(shí)，做了一些手腳，讓傳感器得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

如何干擾傳感器？

不同的傳感器干擾的方式自然不同。這次研究的三個(gè)傳感器工作原理各不相同，咱們一個(gè)一個(gè)看。

1.超聲波傳感器

超聲波傳感器在車輛上的作用是探測(cè)障礙物，發(fā)出超聲波之后，根據(jù)接收到回聲的時(shí)間來(lái)判斷與障礙物之間的距離。特斯拉的Model S的車身周圍安裝有12個(gè)超聲波傳感器用來(lái)探測(cè)車輛周圍的障礙物，并且會(huì)在檢測(cè)到有障礙物之后發(fā)出警告聲，儀表盤上對(duì)應(yīng)位置會(huì)有障礙物以及距離提示。如果開(kāi)啟了Autopilot，那么車輛還會(huì)在距離過(guò)近的時(shí)候自動(dòng)剎車。

影響超聲波傳感器的方式很簡(jiǎn)單，一種是通過(guò)發(fā)出超聲波的噪聲，增加超聲波傳感器接收到回聲的信噪比來(lái)影響它的判斷；一種是發(fā)出相同頻率的超聲波給超聲波傳感器，讓它誤以為原本沒(méi)有障礙物的地方是有障礙物的。

實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很方便，只需要一個(gè)成本在60元人民幣的干擾設(shè)備，在車輛的超聲波傳感器前方發(fā)出對(duì)應(yīng)信號(hào)就可以了。從團(tuán)隊(duì)研究的結(jié)果來(lái)看，如果是通過(guò)噪聲來(lái)干擾，那么會(huì)影響超聲波對(duì)距離的判斷，判斷結(jié)果不精準(zhǔn)，從而顯示在儀表盤上的距離信息也是錯(cuò)誤的；而如果是通過(guò)發(fā)出同頻率的信號(hào)，那么會(huì)讓傳感器做出完全相反的判斷。

干擾之后，傳感器對(duì)距離判斷錯(cuò)誤

如果是在人工駕駛狀態(tài)下，那么會(huì)被儀表盤顯示的錯(cuò)誤信息而誤導(dǎo)，而如果是在Autopilot的狀態(tài)下，那么同樣會(huì)被誤導(dǎo)而做出錯(cuò)誤判斷，或者誤以為系統(tǒng)不工作而發(fā)出警告聲，必須由人類駕駛員接手。需要注意的是，如果是發(fā)出同頻率信號(hào)來(lái)進(jìn)行干擾，那么時(shí)間很重要，只有第一次讓傳感器接收到的超聲波是有效的，能夠產(chǎn)生影響。

傳感器未能識(shí)別出障礙物

當(dāng)然，除此之外還有一個(gè)最簡(jiǎn)單的辦法，使用一些可以吸聲的材料，就可以吸收傳感器發(fā)出的超聲波，直接讓其被罷工。

2.毫米波雷達(dá)

相比之下，對(duì)于毫米波雷達(dá)的破解難度要大很多。最直接的體現(xiàn)就在設(shè)備的成本上，據(jù)劉健皓透露，他們干擾毫米波雷達(dá)的設(shè)備成本在120萬(wàn)人民幣。不過(guò)，出于安全考慮以及設(shè)備電源線長(zhǎng)的限制，對(duì)于毫米波雷達(dá)的干擾并非是在車輛高速運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的。

毫米波雷達(dá)的理論干擾距離就是毫米波的探測(cè)距離，不過(guò)無(wú)線毫米波發(fā)射裝置很少且成本會(huì)更高，這也是對(duì)毫米波雷達(dá)的攻擊會(huì)更加難以發(fā)生在現(xiàn)實(shí)中。

毫米波雷達(dá)的干擾設(shè)備

上圖就是干擾毫米波雷達(dá)的設(shè)備。劉健皓表示，通過(guò)電磁波的干擾，可以在前方無(wú)車的狀態(tài)下讓傳感器認(rèn)為有車，這個(gè)信息會(huì)同步顯示到儀表盤上，如果距離足夠近，報(bào)警裝置還會(huì)提醒，同樣，在Autopilot狀態(tài)下，會(huì)自動(dòng)剎車。同樣，可以在前方有車的時(shí)候，讓系統(tǒng)認(rèn)為前方無(wú)車，而繼續(xù)行駛。

干擾毫米波雷達(dá)后儀表盤的錯(cuò)誤顯示

與超聲波雷達(dá)相同的是，同樣可以通過(guò)干擾設(shè)備來(lái)讓系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤的距離判斷。而不論是超聲波雷達(dá)還是毫米波雷達(dá)的距離判斷，從實(shí)際的開(kāi)車場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，只有微小距離的錯(cuò)誤判斷會(huì)更容易給人以誤導(dǎo)，比如在倒車或者停車入位的時(shí)候，更多的干擾，是對(duì)于Autopilot這套系統(tǒng)。

如果傳感器被嚴(yán)重干擾，在Autopilot下，系統(tǒng)同樣會(huì)做出「?jìng)鞲衅鞑荒苷９ぷ鳌沟呐袛?，從而無(wú)法啟動(dòng)Autopilot，要求進(jìn)入人工狀態(tài)。

3.攝像頭

雖然現(xiàn)在特斯拉5月份的致死事故還沒(méi)有最終確定原因，但是卡車的白色集裝箱對(duì)攝像頭帶來(lái)的「致盲」效果，正是劉健皓著手研究的切入點(diǎn)。不過(guò)對(duì)于攝像頭的干擾，并沒(méi)有直接在車上進(jìn)行，而是將攝像頭拆下。

致盲攝像頭

讓攝像頭致盲的手段是采用光源直射攝像頭（或者直射標(biāo)定板，讓其反光射向攝像頭），其最終的效果取決于光源與攝像頭的距離，以及光源的強(qiáng)度。據(jù)劉健皓介紹，在距離攝像頭50cm的位置用200毫瓦的紅外線，可以讓攝像頭致盲40秒。如果距離增加，效果會(huì)遞減。如果光源過(guò)強(qiáng)，還會(huì)造成攝像頭直接被燒壞。

攝像頭被致盲的結(jié)果

當(dāng)然，距離50cm在現(xiàn)實(shí)生活中是無(wú)法對(duì)行駛過(guò)程中的車輛實(shí)現(xiàn)的，隨著距離的拉長(zhǎng)，可以通過(guò)增加光源強(qiáng)度的方法，來(lái)造成致盲。而只要致盲2-3秒，對(duì)于開(kāi)啟了自動(dòng)行駛狀態(tài)的車來(lái)說(shuō)，就很可能帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

從硬件來(lái)說(shuō)，攝像頭本身存在一個(gè)刷新頻率，如果刷新頻率夠高，則會(huì)讓致盲的效果減弱。

傳感器可以被欺騙，這說(shuō)明了什么？

從前面的描述中其實(shí)可以看出，從傳感器入手來(lái)進(jìn)行攻擊，其實(shí)并不是一個(gè)很容易實(shí)現(xiàn)的方式。

在提到的三種傳感器中，最容易實(shí)現(xiàn)的就是超聲波了。設(shè)備成本低，入手容易，一個(gè)充電寶就可以讓其保持工作，雖然有距離的限制，但是除了地庫(kù)之外，也可以通過(guò)跟車的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。而要致盲攝像頭，一方面是距離越遠(yuǎn)效果越差，雖然只要致盲哪怕一秒鐘就可能會(huì)引起嚴(yán)重的后果，但是需要一場(chǎng)精心策劃，毫米波雷達(dá)更是如此。

之所以從傳感器入手，是因?yàn)?60在研究自動(dòng)駕駛過(guò)程中，巧合發(fā)現(xiàn)了傳感器接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的影響。不過(guò)，干擾傳感器并不是根本目的，劉健皓表示，「我們研究的還是自動(dòng)駕駛，干擾傳感器只是想說(shuō)明現(xiàn)階段自動(dòng)駕駛的模型和算法還存在缺陷，需要去解決」。選擇Model S，也是因?yàn)锳utopilot能夠在車輛停止時(shí)打開(kāi)，便于試驗(yàn)研究。目前特斯拉也已經(jīng)與360聯(lián)系，雙方將共同研究這一問(wèn)題。

傳感器被干擾之后系統(tǒng)得到錯(cuò)誤的結(jié)果，從劉健皓的角度來(lái)看，一方面是傳感器本身沒(méi)有「彈性」機(jī)制，二則是在決策算法上，沒(méi)有進(jìn)行容錯(cuò)。以毫米波雷達(dá)為例，Model S毫米波雷達(dá)的頻率與波長(zhǎng)都是被逆向得出，如果設(shè)置了彈性機(jī)制，頻率隨機(jī)，那么逆向的難度自然會(huì)加大；而從算法層面來(lái)說(shuō)，目前Model S雖然進(jìn)行了不同傳感器的數(shù)據(jù)融合，但是并沒(méi)有針對(duì)異常數(shù)據(jù)有分析過(guò)程。

在劉健皓去美國(guó)之前，車云菌在360的地下車庫(kù)觀看了他們對(duì)超聲波干擾的實(shí)時(shí)演示。除了錯(cuò)誤的信息得到的錯(cuò)誤判斷之外，其實(shí)還順帶發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)問(wèn)題：

在正常狀態(tài)下，開(kāi)啟Autopilo之后，如果車輛處于前進(jìn)狀態(tài)，那么后方是否存在障礙物是不會(huì)影響車輛狀態(tài)。但是如果此時(shí)將干擾設(shè)備放在后方傳感器附近（實(shí)測(cè)3米左右就可以），那么車輛就會(huì)自動(dòng)剎停。車輛倒車時(shí)，干擾前方超聲波傳感器可以得到同樣的效果。

倒車時(shí)干擾前方超聲波傳感器，Autopilot自動(dòng)剎車

造成這一結(jié)果的原因尚未得知，不過(guò)可以知道還是出在Autopilot系統(tǒng)本身的判斷機(jī)制上。

360和自動(dòng)駕駛

很容易想到的一個(gè)問(wèn)題是，360為什么開(kāi)始研究自動(dòng)駕駛了？在這點(diǎn)上，360攻防實(shí)驗(yàn)室的想法和成立了Comma的黑客George Hotz相類似。

據(jù)劉健皓介紹，他們目前正在將一輛混合動(dòng)力車改裝成自動(dòng)駕駛車輛。不過(guò)實(shí)現(xiàn)的手段與目前其他團(tuán)隊(duì)的方式有所不同?，F(xiàn)在通過(guò)改裝車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛相關(guān)功能的，都是通過(guò)新增執(zhí)行器的方式，讓執(zhí)行器變成電子控制的。而執(zhí)行器的技術(shù)則被一級(jí)供應(yīng)商所壟斷。

劉健皓認(rèn)為，如果要讓自動(dòng)駕駛普及的話，那么可以通過(guò)軟件改裝的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要車輛的轉(zhuǎn)向、動(dòng)力和剎車等控制是可以電控的，那么就可以而通過(guò)逆向執(zhí)行器控制協(xié)議的方式，拿到控制權(quán)。而后在加裝傳感器，讓車輛變成具備L2輔助駕駛功能的車輛。

關(guān)于目前的改裝進(jìn)度，劉健皓并沒(méi)有透露太多。從理論上來(lái)說(shuō)，這個(gè)方式是可以實(shí)現(xiàn)的。雖然實(shí)際操作過(guò)程中會(huì)存在很多問(wèn)題，比如逆向控制協(xié)議的過(guò)程，再比如他們需要對(duì)車輛的執(zhí)行控制需要有很長(zhǎng)時(shí)間的研究，不過(guò)這個(gè)方式也給汽車圈帶來(lái)了新的思路。

車云小結(jié)

聊到最后的時(shí)候，似乎「360要研究自動(dòng)駕駛」這件事情比「干擾傳感器」更能引起車云菌的興趣。畢竟干擾傳感器這事兒的實(shí)現(xiàn)難度擺在那里。但是不可忽視的是，自動(dòng)駕駛車的安全問(wèn)題正是為人們所擔(dān)憂的。在傳感器之外，數(shù)據(jù)傳輸、V2X以及CAN總線架構(gòu)，都是需要注意的節(jié)點(diǎn)。