[論文レビュー] BrutePrint: Expose Smartphone Fingerprint Authentication to Brute-force Attack

Yu Chen, Yiling He|arXiv (Cornell University)|May 18, 2023

User Authentication and Security Systems被引用数 4

ひとこと要約

この論文では、スマートフォンの指紋認証（SFA）システムにおけるゼロデイ脆弱性を悪用することで、試行回数制限を回避し、指紋画像を乗っ取り、10台の一般的なスマートフォンで無制限の指紋ブルートフォース攻撃を実行できる新規のブルートフォース攻撃フレームワーク、BrutePrintを提示する。SFAフレームワークの論理的欠陥とSPIプロトコルの脆弱性を活用することで、ニューラルスタイル変換を用いて生体認証検出を回避し、71%のスプーフ成功を達成する。

ABSTRACT

Fingerprint authentication has been widely adopted on smartphones to complement traditional password authentication, making it a tempting target for attackers. The smartphone industry is fully aware of existing threats, and especially for the presentation attack studied by most prior works, the threats are nearly eliminated by liveness detection and attempt limit. In this paper, we study the seemingly impossible fingerprint brute-force attack on off-the-shelf smartphones and propose a generic attack framework. We implement BrutePrint to automate the attack, that acts as a middleman to bypass attempt limit and hijack fingerprint images. Specifically, the bypassing exploits two zero-day vulnerabilities in smartphone fingerprint authentication (SFA) framework, and the hijacking leverages the simplicity of SPI protocol. Moreover, we consider a practical cross-device attack scenario and tackle the liveness and matching problems with neural style transfer (NST). We also propose a method based on neural style transfer to generate valid brute-forcing inputs from arbitrary fingerprint images. A case study shows that we always bypasses liveness detection and attempt limit while 71% spoofs are accepted. We evaluate BrutePrint on 10 representative smartphones from top-5 vendors and 3 typical types of applications involving screen lock, payment, and privacy. As all of them are vulnerable to some extent, fingerprint brute-force attack is validated on on all devices except iPhone, where the shortest time to unlock the smartphone without prior knowledge about the victim is estimated at 40 minutes. Furthermore, we suggest software and hardware mitigation measures.

研究の動機と目的

• 既存のセキュリティ制御があるにもかかわらず、市販のスマートフォンにおいて大規模な指紋ブルートフォース攻撃が実現可能かどうかを調査すること。
• 試行回数制限を回避し、無制限の認証試行を可能にするSFAフレームワークにおける論理的脆弱性を同定・悪用すること。
• 指紋センサーの不正なSPI通信を介して、ハードウェアベースのMITM攻撃により指紋画像を乗っ取ることの実証。
• ニューラルスタイル変換を用いて生体認証検出を回避し、指紋一致精度を維持する実用的なクロスデバイス攻撃手法の開発。
• 光学式、静電容量式、超音波式の指紋センサーを含む、多様なスマートフォンモデル、OSバージョン、指紋センサー種別において攻撃の実現可能性と有効性を検証すること。

提案手法

• AndroidおよびHarmonyOSデバイスのSFAフレームワークにおける2つのゼロデイ脆弱性（Cancel-After-Match-Fail: CAMF および Match-After-Lock: MAL）を悪用し、試行回数制限を回避する。
• 独自開発のハードウェアデバイスを用いてSPIバスにおけるMITM攻撃を実行し、センサーからプロセッサへのチャネルに直接指紋画像を傍受・挿入する。
• 特定のSFAシステムと互換性のあるスタイルに変換するために、ニューラルスタイル変換（NST）、特にCycleGANを用いて、公開データベースの任意の指紋画像を変換する。
• 変換された指紋画像を、ターゲットデバイスの認証インターフェースに対して体系的にテストすることでブルートフォースプロセスを自動化する。
• 複数のスマートフォンモデルおよび指紋センサー種別と互換性を持つ、低コストで初心者にも扱いやすい悪意あるハードウェアセットアップを設計する。
• スクリーンロック、決済、プライバシー保護アプリの使用事例を対象に攻撃パイプラインを検証し、実世界での利用可能性を示す。

Figure 1 : The workflow of state-of-the-art SFA systems.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 試行回数制限と生体認証検出があるにもかかわらず、市販スマートフォンにおいてブルートフォース指紋攻撃が実用的に行えるか？
• RQ2 SFAフレームワークにおける論理的または実装上の欠陥は、試行回数制限の回避と不正な指紋画像へのアクセスを可能にするか？
• RQ3 ニューラルスタイル変換技術は、生体認証検出を回避しつつ、一致精度を維持するスプーフ指紋画像の生成にどの程度有効に使えるか？
• RQ4 本研究で提示されたMITM攻撃は、多様なスマートフォンモデルにおいて、不正なSPIインタフェースを通じて指紋画像を乗っ取るのにどの程度効果的か？
• RQ5 多様なセンサー技術（光学式、静電容量式、超音波式）を備えた現代のスマートフォンにおいて、大規模な指紋ブルートフォース攻撃の実世界での実現可能性と成功率はどの程度か？

主な発見

• BrutePrintフレームワークは、テスト済みのすべてのAndroidおよびHarmonyOSデバイスで試行回数制限を正常に回避し、無制限の認証試行を可能にした。
• iOSデバイスでは、標準の制限を超えて10回の追加試行が可能となり、事前の知識なしでロック解除までに約40分の時間がかかると推定された。
• ニューラルスタイル変換（CycleGAN）を用いた生体認証検出は、テストケースの100%で一貫して回避され、71%のスプーフ試行が正常に認証された。
• 光学式、静電容量式、超音波式の指紋センサーを搭載するすべての10台のテストスマートフォンで、SPIを介したMITMによる指紋画像乗っ取りが確認された。
• 攻撃はスクリーンロック（100%成功）、決済承認（100%成功）、プライバシー保護アプリのロック解除（100%成功）など、多様なアプリケーションで効果を示した。
• 脆弱性は特定のモデルやOSバージョンに限定されるものではなく、SFAフレームワークの論理的欠陥に起因し、iPhoneを除くすべてのテストデバイスに影響を与える。

Figure 2 : The attack overview of BrutePrint .