[論文レビュー] On Manually Reverse Engineering Communication Protocols of Linux Based IoT Systems

Kaizheng Liu, Ming Yang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2020

Advanced Malware Detection Techniques参考文献 51被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、LinuxベースのIoTシステムにおける通信プロトコルを発見するための、初めての体系的で手作業によるリバース・エンジニアリングフレームワークを提示する。ファームウェア抽出、ネットワークトラフィック解析、静的・動的解析を組み合わせることで、プロトコル構造を解明する。WeMoスマートプラグに適用した結果、リモート制御およびサービス拒否攻撃を可能にする深刻な認証の欠际が発覚し、読み取り専用および書き込み可能な埋め込みLinuxシステムの両方でその有効性が実証された。

ABSTRACT

IoT security and privacy has raised grave concerns. Efforts have been made to design tools to identify and understand vulnerabilities of IoT systems. Most of the existing protocol security analysis techniques rely on a well understanding of the underlying communication protocols. In this paper, we systematically present the first manual reverse engineering framework for discovering communication protocols of embedded Linux based IoT systems. We have successfully applied our framework to reverse engineer a number of IoT systems. As an example, we present a detailed use of the framework reverse-engineering the WeMo smart plug communication protocol by extracting the firmware from the flash, performing static and dynamic analysis of the firmware and analyzing network traffic. The discovered protocol exposes severe design flaws that allow attackers to control or deny the service of victim plugs. Our manual reverse engineering framework is generic and can be applied to both read-only and writable Embedded Linux filesystems.

研究の動機と目的

• 埋め込みLinuxベースのIoTシステムにおける通信プロトコルのリバース・エンジニアリングに、体系的なアプローチが不足しているという問題に取り組む。
• まず、下位の通信プロトコルをリバース・エンジニアリングすることで、自動化されたセキュリティ分析を可能にする。
• 読み取り専用および書き込み可能なLinuxファイルシステムの両方に対応可能な汎用的で手作業によるフレームワークを構築する。
• WeMoスマートプラグの詳細な事例研究を通じて、実世界のプロトコル脆弱性を特定・実証する。
• IoTエコシステムにおけるさらなるプロトコルレベルのセキュリティ分析および脆弱性発見の基盤を提供する。

提案手法

• フラッシュメモリやその他のソースからデバイスのアプリおよびファームウェアを抽出する。
• テストベッド環境を用いて、IoTデバイス、スマarthoneアプリ、クラウドサーバー間のネットワークトラフィックをキャプチャする。
• MITMプロキシ、バイナリの静的解析、動的デバッグを用いて暗号化やオブスカレーションを解除し、トラフィック保護を解除する。
• ファームウェアおよびアプリコードの静的・動的解析とネットワークトラフィックの相関をとることで、プロトコルのリバース・エンジニアリングを実施する。
• シンボリック実行およびシステムコールトレース（例：ptrace）を用いて挙動を分析し、プロトコルの意味論を抽出する。
• プロトコル再構築および脆弱性評価を通じて、検証を実施する。これには認証およびセッション管理の欠际が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 埋め込みLinuxベースのIoTシステムにおける通信プロトコルを、事前のプロトコル文書が存在しない状態で、どのように体系的にリバース・エンジニアリングできるか？
• RQ2 IoTネットワークトラフィックにおける暗号化およびオブスカレーションを効果的に解除するには、どのような技術が必要か？
• RQ3 手作業によるリバース・エンジニアリングは、IoTプロトコル実装における深刻な設計欠际をどの程度まで発見できるか？
• RQ4 提案されたフレームワークは、読み取り専用と書き込み可能なファイルシステムを有する多様なIoTデバイスに一般化可能か？
• RQ5 リバース・エンジニアリングの後、実世界のIoTプロトコルで特定できる具体的な脆弱性は何か？

主な発見

• フレームワークは、WeMoスマートプラグの通信プロトコルを正常にリバース・エンジニアリングし、深刻な認証脆弱性を発見した。
• 攻撃者は悪意あるスマートフォンアプリを介して、脆弱性を悪用し、被害者のスマートプラグをリモートで制御可能となり、不正なデバイス操作が可能になる。
• 攻撃者は、正当なデバイスを模倣する偽のスマートプラグを展開し、本物のプラグをネットワークから追い出すことで、サービス拒否攻撃を実行できる。
• フレームワークは汎用的であり、514種類の一般的なIoTデバイスに適用可能であり、読み取り専用および書き込み可能なLinuxファイルシステムの両方と広範に適合している。
• 本研究は、自動化ツールが見逃す可能性のあるプロトコルレベルの脆弱性を解明するために、手作業によるリバース・エンジニアリングが依然として不可欠であることを確認した。
• 事例研究により、広く展開されている消費者向けIoTデバイスであっても、その通信プロトコルに深刻で利用可能な設計欠际が存在する可能性があることが示された。