[論文レビュー] Injected and Delivered: Fabricating Implicit Control over Actuation Systems by Spoofing Inertial Sensors

Yazhou Tu, Zhiqiang Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2018

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用数 47

ひとこと要約

この論文は、非侵襲的なアウトオブバンド音響注入を分析し、組込みMEMS慣性センサを欺いて暗黙の制御を実現し、Side-Swing および Switching 攻撃を導入し、25機器を評価する。

ABSTRACT

Inertial sensors provide crucial feedback for control systems to determine motional status and make timely, automated decisions. Prior efforts tried to control the output of inertial sensors with acoustic signals. However, their approaches did not consider sample rate drifts in analog-to-digital converters as well as many other realistic factors. As a result, few attacks demonstrated effective control over inertial sensors embedded in real systems. This work studies the out-of-band signal injection methods to deliver adversarial control to embedded MEMS inertial sensors and evaluates consequent vulnerabilities exposed in control systems relying on them. Acoustic signals injected into inertial sensors are out-of-band analog signals. Consequently, slight sample rate drifts could be amplified and cause deviations in the frequency of digital signals. Such deviations result in fluctuating sensor output; nevertheless, we characterize two methods to control the output: digital amplitude adjusting and phase pacing. Based on our analysis, we devise non-invasive attacks to manipulate the sensor output as well as the derived inertial information to deceive control systems. We test 25 devices equipped with MEMS inertial sensors and find that 17 of them could be implicitly controlled by our attacks. Furthermore, we investigate the generalizability of our methods and show the possibility to manipulate the digital output through signals with relatively low frequencies in the sensing channel.

研究の動機と目的

• 制御系で使用されるMEMS慣性センサに対する非侵襲的な偽装攻撃のリスクを動機づけ、評価する。
• アウトオブバンドの音響信号がADCサンプリングとどのように相互作用して制御可能なデジタル出力を生み出すかを特徴づける。
• 所望の方向にセンサ出力を偏らせる2つの攻撃パラダイム（Side-Swing および Switching）を開発する。
• 実機の多様なセットにわたる攻撃の実現可能性を評価し、影響に影響を与える要因（サンプルレートのドリフト、振幅、位相）を解明する。

提案手法

• アンダーサンプリングとエイリアシングの下でのアウトオブバンドアナログ信号のデジタリゼーションをモデル化する。
• サンプルレートのドリフトがデジタイズ出力の周波数偏差をどのように増幅するかを定義・分析する（定理1）。
• 振動するデジタイズ信号を整形するためのデジタル振幅調整を導入する（アンダーサンプリング効果）。
• 周波数変化による位相ペース配分を提案し、位相オフセットと方向制御を誘導する。
• ターゲット方向への読取値を偏らせる2つの非侵襲的攻撃法（Side-Swing および Switching）を記述する。
• V[i]=A[i]·sin(Φ[i]) で、Φ[i] が ε および F_S に依存する, アウトオブバンド信号注入モデルを提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非侵襲的な音響注入は実システムの組込みMEMS慣性センサを信頼して制御できるか？
• RQ2 サンプルレートのドリフト、アンダーサンプリング、位相効果がデジタルセンサ出力の操作をどのように可能にするか？
• RQ3 実用的な攻撃戦略（Side-Swing、Switching）とデバイス間の有効性はどうか？
• RQ4 このような偽装攻撃が影響を与えるシステムおよび作動範囲の範囲はどの程度か？

主な発見

• 25台の試験機器のうち、17台は音響攻撃によって暗黙的に制御可能であった。
• 23台の機器が音響信号の影響を受け、制御の程度は様々だった。
• 2台は音の強さが不十分で非常に限定的な感受性を示し、4台はDoS攻撃に対して脆弱であり、2台は影響を受けなかった。
• 試験環境ではジャイロセンサのほうが加速度計よりも強い敵対的制御を示した。
• Side-Swing攻撃は非対称な振幅変調によりターゲット方向へのヘディングを蓄積する。
• Switching攻撃は周波数を繰り返し切り替えることで位相ペースを誘導し、より大きなヘディング利得を達成する。