On Hardware-based security in embedded systems : evaluating potential use of secure hardware in C-ITS stations

Abstract

Collaborative Intelligent Transport Systems (C-ITS) Stationen sind aktuell aufkommende Internet of Things (IoT) Geräte im Bereich der Verkehrsinformation und -kontrolle. Überwiegend befestigt an Straßenkreuzungen werden sie genutzt, um Vehicle-to-everything (V2X) Nachrichten zu senden und weiterzuleiten und über unterschiedlichste Kanäle zu kommunizieren. Durch den Stellenwert der Safety bei Verkehrsinfrastruktur ist hier Security sehr wichtig. Zusätzlich sind Geräte, die den Angreifern physikalischen Zugang ermöglichen, speziell exponiert und benötigen Security-Maßnahmen, die durch Hardware unterstützt werden. In unserer Arbeit zur Verbesserung der Security in C-ITS Stationen der nächsten Generation analysieren wir zuerst basierend auf IEC 62443 System- und Service-Anforderungen und erstellen eine Threat and Risk Analysis (TRA). Danach untersuchen wir die Verfügbarkeit und Funktionalität von Security-Hardware-Modulen, um ein in ein ganzheitliches System-Security Konzept eingebettetes, Hardware-unterstütztes Key-Management zu entwickeln. Durch die Implementierung auf einem NXP i.MX8QXP Evaluation Kit erreichen wir Einblick in die Ausgereiftheit der Software, den Entwicklungsprozess sowie potenzielle Stolperfallen und Probleme der sicheren System-Entwicklung. Unser entwickeltes Konzept erfüllt unsere Anforderungen und zeigt signifikante Verbesserungen in der TRA. Allerdings muss durch die Nutzung eines Trusted Execution Environments (TEEs), wie erwartet, bei der Verschlüsselungs-Performance im Vergleich zu OpenSSL ein Rückgang um Faktor 30 für kleine Datenmengen und 2,4 für große Datenmengen akzeptiert werden. Während unserer Untersuchung konnten wir mehrere Implementierungsmängel in der verfügbaren Software entdecken, die sowohl Funktionalität als auch Security betreffen. Für einige davon bieten wir Lösungsvorschläge an und beschäftigen uns schlussendlich noch mit den nötigen Schritten zur Übernahme in den Produktiv-Betrieb.

Collaborative Intelligent Transport Systems (C-ITS) stations are recently upcoming Internet of Things (IoT) devices in the domain of traffic information and control. Meant to be deployed at intersections, they are working as highly heterogeneous routing devices to send and relay Vehicle-to-everything (V2X) messages. As traffic infrastructure poses safety implications, security is particularly important here. Additionally, devices which give physical access to attackers are especially exposed and require security measures which need the underlying hardwares support. In our work to improve security in the next generation of C-ITS stations, we first analyze for system and service requirements based on IEC 62443 and conduct a Threat and Risk Analysis (TRA). We then survey the market about available secure hardware modules and its provided functionalities, to be able to set up a hardware-supported secure key management embedded in a full system-security concept. Implementing this using an NXP i.MX8QXP evaluation kit lets us gain further insights about its software maturity, the development process and potential pitfalls and problems of secure systems engineering. Our created concept satisfies the given requirements and shows to significantly improve the TRA. However, as expected due to the usage of a Trusted Execution Environment (TEE), encryption performance suffered from a drop of factor 30 for small files to a drop of about factor 2.4 for big files in a comparison against OpenSSL. During our research, we also discover multiple implementation shortcomings of the provided software concerning functionality and security, propose fixes and summarize the steps needed to move to production.