[論文レビュー] On the (In)security of Bluetooth Low Energy One-Way Secure Connections Only Mode

Yue Zhang, Jian Weng+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2019

Bluetooth and Wireless Communication Technologies参考文献 31被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、AndroidのBLEプログラミングフレームワークにおける深刻な設計上の欠陥を明らかにし、攻撃者がBluetooth Low Energyのセキュア接続専用モードのセキュリティ保証を無効にするために、安全なペアリングを不安全な「ジャストワークス」モードにダウングレード可能であることを示している。著者らは、静かなるMITM攻撃および追跡攻撃を可能にする4つの欠陥を特定し、18種類の商業用BLE製品および3,501個のAndroidアプリで検証した。また、OSレベルでの安全なペアリングを強制するパッチの提案を行った。

ABSTRACT

To defeat security threats such as man-in-the-middle (MITM) attacks, Bluetooth Low Energy (BLE) 4.2 and 5.x introduce the Secure Connections Only mode, under which a BLE device accepts only secure paring protocols including Passkey Entry and Numeric Comparison from an initiator, e.g., an Android mobile. However, the BLE specification does not explicitly require the Secure Connection Only mode of the initiator. Taking the Android's BLE programming framework for example, we found that it cannot enforce secure pairing, invalidating the security protection provided by the Secure Connection Only mode. The same problem applies to Apple iOS too. Specifically, we examine the life cycle of a BLE pairing process in Android and identify four severe design flaws. These design flaws can be exploited by attackers to perform downgrading attacks, forcing the BLE pairing protocols to run in the insecure mode without the users' awareness. To validate our findings, we selected and tested 18 popular BLE commercial products and our experimental results proved that downgrading attacks and MITM attacks were all possible to these products. All 3501 BLE apps from Androzoo are also subject to these attacks. For defense, we have designed and implemented a prototype of the Secure Connection Only mode on Android 8 through the Android Open Source Project (AOSP). We have reported the identified BLE pairing vulnerabilities to Bluetooth Special Interest Group (SIG), Google, Apple, Texas Instruments (TI) and all of them are actively addressing this issue. Google rated the reported security flaw a High Severity.

研究の動機と目的

• 実際のモバイルOSにおけるBluetooth Low Energyのセキュア接続専用モードのセキュリティを調査すること。
• AndroidのBLEプログラミングフレームワークに内在する設計上の欠陥を特定し、セキュア接続専用モードのセキュリティ保証を損なう要因を明らかにすること。
• これらの欠陥が、安全でないペアリングプロトコル（例：ジャストワークス）への静かなるダウングレードを可能にし、MITM攻撃およびデバイス追跡を引き起こす仕組みを示すこと。
• これらの欠陥が商業用BLEデバイスおよびAndroidアプリにおいて実際に利用可能であるかを検証すること。
• Android OSレベルで安全なペアリングを強制するプロトタイプソリューションを提案・実装し、同定された脆弱性を解消すること。

提案手法

• AndroidのBLEフレームワークにおけるBLEペアリングのライフサイクルを逆コンパイルし、開始、ステータス管理、エラー処理、ボンド管理を分析した。
• 4つの設計上の欠陥を特定：ペアリングプロトコルの指定不能、不正なペアリングのキャンセル不能、ペアリングエラーの不適切な処理、不正ペアリング後の鍵の再生成なし。
• 偽装BLEデバイスを用いて、Androidデバイスに不正なペアリングを強制するダウングレード攻撃を設計・実行した。
• 18種類の商業用BLE製品およびAndrozooから取得した3,501個のAndroidアプリを対象に攻撃を評価し、実世界での利用可能性を確認した。
• Android 8にAOSP経由で統合可能なプロトタイプパッチを開発・統合し、OSレベルでセキュア接続専用モードを強制する仕組みを実装した。
• 発見内容をBluetooth SIG、Google、Apple、Texas Instrumentsに報告。各社とも同脆弱性の是正を積極的に行っている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BLE 4.2および5.xにおけるセキュア接続専用モードがAndroidに実装された場合、なぜエンドツーエンドのセキュリティを提供できないのか。
• RQ2 AndroidのBLEフレームワークに内在する、具体的な設計上の欠陥は何か。これらが攻撃者が安全なペアリングを不安全な「ジャストワークス」モードに静かにダウングレード可能にする要因となっている。
• RQ3 実世界のBLEデバイスおよびAndroidアプリは、これらのダウングレード攻撃に対してどの程度脆弱であるか。
• RQ4 Android OSレベルでのパッチが、安全なペアリングの強制に有効であり、同様の攻撃を防げるか。
• RQ5 同定された欠陥が、ホワイトリストベースのアクセス制御に依存するBLEデバイスのセキュリティに与える影響は何か。

主な発見

• AndroidのBLEフレームワークに内在する4つの深刻な設計上の欠陥により、ユーザーの認識やアプリの制御なしに不正なペアリングが強制可能である。
• テストした18種類の商業用BLE製品すべてがダウングレード攻撃に対して脆弱であり、MITM攻撃およびデータ改ざんが可能である。
• Androzooから取得した3,501個のAndroidアプリすべてが、同様のダウングレードおよびMITM攻撃に対して脆弱である。
• 脆弱性はAndroidに限らず、AppleのiOSに対しても存在し、BLE実装全体に及ぶプロトコルレベルの問題であることが示された。
• Googleは脆弱性を「深刻度：高」に分類し、Google、Apple、TI、Bluetooth SIGの主要ベンダーすべてが同脆弱性の是正を積極的に行っている。
• 提案されたAOSPパッチは、OSレベルで安全なペアリングを強制し、同定された攻撃ベクトルを完全に閉鎖した。