[論文レビュー] Cryptography Is Not Enough: Relay Attacks on Authenticated GNSS Signals

Maryam Motallebighomi, Harshad Sathaye+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Advanced Authentication Protocols Security被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、認証済みのナビゲーションメッセージの内容を変更せずに、最大4,000 km離れた任意の場所にGNSS受信機をスプーフィングするリアルタイムで低コストなリレーサイズ攻撃を実証している。擬似距離推定に用いられる一般的な受信時刻と送信時刻の手法を悪用し、局所的に受信した信号のみを用いてリアルタイムに信号タイミングを操作することで、暗号的認証が無効化される。

ABSTRACT

Civilian-GNSS is vulnerable to signal spoofing attacks, and countermeasures based on cryptographic authentication are being proposed to protect against these attacks. Both Galileo and GPS are currently testing broadcast authentication techniques based on the delayed key disclosure to validate the integrity of navigation messages. These authentication mechanisms have proven secure against record now and replay later attacks, as navigation messages become invalid after keys are released. This work analyzes the security guarantees of cryptographically protected GNSS signals and shows the possibility of spoofing a receiver to an arbitrary location without breaking any cryptographic operation. In contrast to prior work, we demonstrate the ability of an attacker to receive signals close to the victim receiver and generate spoofing signals for a different target location without modifying the navigation message contents. Our strategy exploits the essential common reception and transmission time method used to estimate pseudorange in GNSS receivers, thereby rendering any cryptographic authentication useless. We evaluate our attack on a commercial receiver (ublox M9N) and a software-defined GNSS receiver (GNSS-SDR) using a combination of open-source tools, commercial GNSS signal generators, and software-defined radio hardware platforms. Our results show that it is possible to spoof a victim receiver to locations around 4000 km away from the true location without requiring any high-speed communication networks or modifying the message contents. Through this work, we further highlight the fundamental limitations in securing a broadcast signaling-based localization system even if all communications are cryptographically protected.

研究の動機と目的

• 暗号的認証がGNSSナビゲーションメッセージに対して行われても、リアルタイムで任意の場所へのスプーフィング攻撃を防げないことを実証すること。
• 送信ベースのGNSSシステムに内在する根本的な設計上の脆弱性を特定すること。この脆弱性により、信号の時間的操作によってスプーフィングが可能になる。
• 高帯域幅のネットワークを必要とせず、メッセージの改ざんなしに動作するリアルタイムスプーファーを開発・評価すること。
• スプーフィングが、被害者や攻撃者の移動状態とは独立して、任意の動的経路で実現可能であることを示すこと。
• 既存の検出メカニズムが、この新たな攻撃ベクトルに対してどの程度有効であるかを評価すること。

提案手法

• 擬似距離推定に用いられる標準的なGNSS受信機技術、すなわち共通の受信時刻と共通の送信時刻を用いる手法を悪用する。
• 各衛星に対する正確な信号遅延を計算し、標的のスプーフィング先の位置に対応する擬似距離を再現する。
• 完全なメッセージ復号を行わず、20 msごとにリアルタイムで復号済みナビゲーションメッセージのビットを処理することで、低遅延スプーフィングを実現する。
• ソフトウェア定義無線（SDR）を用いて、スプーフィング信号を受信・処理・再送信し、制御された時間オフセットを導入する。
• 信号整合性を保ちつつ、人工的な遅延を導入するリアルタイム信号生成パイプラインを構築する。
• 商用のuBloxおよびオープンソースのGNSS-SDR受信機の両方で攻撃を検証し、広範な適用可能性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GNSSナビゲーションメッセージの暗号的認証は、リアルタイムでの場所スプーフィング攻撃を防げるか？
• RQ2 ナビゲーションメッセージの内容を変更せずに、任意の場所にGNSS受信機をスプーフィングすることは可能か？
• RQ3 スプーフィング先の場所での事前信号記録が不要な状態で、局所的に受信した信号のみを用いてリアルタイムにスプーフィング信号を生成できるか？
• RQ4 機械学習や物理層特徴に基づく既存のスプーフィング検出技術は、この攻撃に対してどの程度有効性を保っているか？
• RQ5 信号タイミングの操作が、長距離（例：4,000 km）および複雑な運動経路において、スプーフィングの精度と実現可能性に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 攻撃は、ナビゲーションメッセージの内容を変更せずに、真の位置から最大4,000 km離れた場所にGNSS受信機をスプーフィングに成功した。
• リアルタイムスプーファーのエンドツーエンド信号処理遅延は24 ms未満であり、1ビットあたりの平均処理時間は317.485 μsであった。
• 攻撃は、高速通信ネットワークやスプーフィング先での事前信号記録を必要としない。
• 攻撃者は、被害者や攻撃者の実際の移動状態とは無関係に、任意の動的経路のスプーフィング信号を生成可能である。
• OSNMA や CHIMERA といった暗号的認証メカニズムは、攻撃が信号タイミングを操作するため、無効化される。
• SCER解析や機械学習に基づく既存の検出手法は、この攻撃に対して効果を示さない。これは、低遅延かつリアルタイムの信号操作が特徴であるためである。