[論文レビュー] You foot the bill! Attacking NFC with passive relays

Yuyi Sun, Swarun Kumar+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2020

Wireless Power Transfer Systems参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、磁気結合共振無線給電と最適化されたコイル形状を用いて、NFC通信の範囲を5 cmから49.6 cmまで拡張する、被動的で装着可能なリレーシステムReCoilを提案する。可変コンデンサとウエストバンドに装着された被動コイルアレイを活用することで、攻撃者の側にプロトコルの変更やアクティブな部品を必要とせず、電源を必要としない、静かで隠し通話可能なNFCカードへの盗聴およびリレーサイバー攻撃を実現する。

ABSTRACT

Imagine when you line up in a store, the person in front of you can make you pay her bill by using a passive wearable device that forces a scan of your credit card without your awareness. An important assumption of today's Near-field Communication (NFC) enabled cards is the limited communication range between the commercial reader and the NFC cards -- a distance below 5~cm. Previous approaches to attacking this assumption effectively use mobile phones and active relays to enlarge the communication range, in order to attack the NFC cards. However, these approaches require a power supply at the adversary side, and can be easily localized when mobile phones or active relays transmit NFC signals. We propose ReCoil, a system that uses wearable passive relays to attack NFC cards by expanding the communication range to 49.6 centimeters, a ten-fold improvement over its intended commercial distance. ReCoil is a magnetically coupled resonant wireless power transfer system, which optimizes the energy transfer by searching the optimal geometry parameters. Specifically, we first narrow down the feasible area reasonably and design the ReCoil-Ant Colony Algorithm such that the relays absorb the maximum energy from the reader. In order to reroute the signal to pass over the surface of human body, we then design a half waist band by carefully analyzing the impact of the distance and orientation between two coils on the mutual inductance. Then, three more coils are added to the system to keep enlarging the communication range. Finally, extensive experiment results validate our analysis, showing that our passive relays composed of common copper wires and tunable capacitors expand the range of NFC attacks to 49.6 centimeters.

研究の動機と目的

• NFCシステムにおけるセキュリティ脆弱性、すなわち遠隔攻撃を防ぐために距離の近接が前提とされる問題に対処すること。
• 標準的な5 cmの制限を超えてNFC通信範囲を拡張できる、被動的で低コストかつ隠蔽可能なリレーシステムを設計すること。
• 最大のエネルギー効率を実現するために、幾何学的および共鳴パラメータの最適化を用いて、被動リレーやNFCタグ間のエネルギー伝送を最適化すること。
• 人間の体を介して信号を再ルーティングするため、装着可能なウエストバンドと追加のコイルを用いて、信号強度を維持すること。
• 実世界の状況下で、商業用NFCリーダーと複数のNFCカードに対して、システムの有効性を検証すること。

提案手法

• 銅コイルと可変コンデンサを用いた磁気結合共振無線給電（MCR-WPT）システムを設計し、被動的エネルギー収集と信号リレーを可能にする。
• 非線形最適化における局所最適解を避けるために、コイルの幾何学的形状と相互インダクタンスを最適化するReCoil-アリコロニー最適化法（RACA）を開発する。
• 信号の減衰を最小限に抑え、磁気フラックス結合を維持するために、人間の体を介して信号をルーティングするためのウェアラブル半分ウエストバンドを実装する。
• ウエストバンドの範囲を超えて通信範囲を拡張するために、バックパックに追加の3つのコイルを統合する。
• 金属物体からの干渉を低減し、信号の集中を向上させるためにフェライト板を用いる。
• 商業用NFCリーダー（例：Huawei Mate9、Xiaomi 6、Samsung Galaxy A9 Star）と複数のNFCカードを用いて、広範な実験を実施し、性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 被動的で装着可能なリレーを用いて、電源やプロトコルの変更なしに、NFC通信範囲を標準的な5 cmの制限を超えて拡張できるか？
• RQ2 被動リレーシステムにおけるエネルギー伝送を最大化するために、最適なコイルの幾何学的形状と共鳴周波数をどのように特定できるか？
• RQ3 被動コイルを用いて人間の体を介して信号を再ルーティングできる範囲はどの程度で、NFCタグの起動に十分な電力を維持できるか？
• RQ4 複数のNFCカードが存在する状況下では、攻撃成功率と通信距離にどのような影響が生じるか？
• RQ5 出力電力や信号特性が異なる複数の商業用NFCリーダーに対しても、システムは性能を維持できるか？

主な発見

• ReCoilは、NFCリーダーと被動タグ間の最大通信範囲を49.6 cmまで拡張し、標準的な5 cmの制限を10倍に超える拡張を達成した。
• 本システムは、Huawei Mate9、Xiaomi 6、Samsung Galaxy A9 Starを含む、すべてのテスト済み商業用スマートフォンで40 cmを超える通信距離を達成した。
• 複数のNFCカードが存在する状況では、ReCoilは依然として1つのカードに対して攻撃に成功するが、最大距離は3枚のカードで40.5 cmに低下する。
• ReCoil-アリコロニー最適化法（RACA）は、最適なコイルパラメータを効果的に特定し、非最適化された設定と比較して、エネルギー伝送効率を顕著に向上させた。
• ウェアラブルウエストバンドの設計により、人間の体を介した効果的な信号再ルーティングが可能となり、信号の整合性を保ちながら長距離攻撃を実現した。
• 被動的でバッテリーを必要としない設計に加え、アクティブな送信が一切ないため、従来の手段では検出できない、静かで隠し通話可能な攻撃を実現した。