[논문 리뷰] Acoustic Denial of Service Attacks on HDDs

Mohammad Shahrad, Arsalan Mosenia외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 21.

Digital and Cyber Forensics참고 문헌 21인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 하드 디스크 드라이브(HDD)에 비접촉식 거부의 서비스(DoS) 공격을 제안하며, 음향 공진을 이용해 HDD 플래터에 파괴적인 진동을 유도하여 읽기/쓰기 작업을 정지시킨다. 특정 공진 주파수를 식별하고 이를 전송함으로써 실제 시스템인 개인용 컴퓨터 및 CCTV 디지털 비디오 레코더에서 HDD를 비활성화함으로써, 임무 핵심 시스템에서의 심각한 물리 계층 보안 취약성을 입증한다.

ABSTRACT

Among storage components, hard disk drives (HDDs) have become the most commonly-used type of non-volatile storage due to their recent technological advances, including, enhanced energy efficacy and significantly-improved areal density. Such advances in HDDs have made them an inevitable part of numerous computing systems, including, personal computers, closed-circuit television (CCTV) systems, medical bedside monitors, and automated teller machines (ATMs). Despite the widespread use of HDDs and their critical role in real-world systems, there exist only a few research studies on the security of HDDs. In particular, prior research studies have discussed how HDDs can potentially leak critical private information through acoustic or electromagnetic emanations. Borrowing theoretical principles from acoustics and mechanics, we propose a novel denial-of-service (DoS) attack against HDDs that exploits a physical phenomenon, known as acoustic resonance. We perform a comprehensive examination of physical characteristics of several HDDs and create acoustic signals that cause significant vibrations in HDD's internal components. We demonstrate that such vibrations can negatively influence the performance of HDDs embedded in real-world systems. We show the feasibility of the proposed attack in two real-world case studies, namely, personal computers and CCTVs.

연구 동기 및 목표

• 비접촉 방식으로 음향 공진이 HDD 작동을 방해하는 데 악용될 수 있는지 조사하기 위해.
• 기계적 고장을 유도할 수 있는 HDD 부품, 특히 플래터의 공진 주파수를 특정하기 위해.
• CCTV 및 개인용 컴퓨터와 같은 임무 핵심 시스템에서 이러한 공격의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 실증적 실험과 HDD 분해를 통해 공격 메커니즘을 검증하기 위해.
• 광범위하게 배포된 스토리지 시스템에서 이전에 간과되었던 물리 계층 보안 위협을 부각하기 위해.

제안 방법

• 특정 음향 주파수가 HDD 부품의 기계적 진동을 유도할 수 있는 방식을 모델링하기 위해 공진 산산 이론을 사용하였다.
• 스위프 톤 음향 자극을 통해 최신 HDD 모델 여러 대에서 공진 주파수를 식별하기 위해 제어된 실험을 수행하였다.
• 식별된 공진 주파수에서 타겟 음향 신호를 생성하여 HDD 플래터에 고진폭 진동을 유도하였다.
• HDD를 분해하여 공격 주파수가 실제로 플래터의 천연 공진 주파수와 일치하는지 직접 측정하고 확인하였다.
• 데스크톱 PC 및 CCTV DVR을 포함한 실제 시스템에 음향 신호를 적용하여 시스템 수준의 영향을 평가하였다.
• 관찰된 성능 저하 및 작동 정지 현상과 물리적 공진 현상 간의 상관관계를 분석하여 인과관계를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비접촉 방식으로 음향 공진을 이용해 HDD 플래터에 파괴적인 진동을 유도할 수 있는가?
• RQ2 DoS 공격에 악용될 수 있는 현대 HDD 부품의 구체적인 공진 주파수는 무엇인가?
• RQ3 음향 신호가 실제 컴퓨팅 시스템의 HDD 정상 작동에 얼마나 심각하게 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ4 특히 플래터를 포함한 HDD의 물리적 구조가 공진 음향 자극에 의해 취약해지는 방식은 무엇인가?
• RQ5 이 공격이 CCTV 시스템 및 개인용 컴퓨터와 같은 실생활 환경에서 신뢰성 있게 재현되고 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 공격 주파수를 식별한 모든 테스트된 HDD 모델에서 읽기/쓰기 작업이 성공적으로 정지되었다.
• 분해 분석을 통해 공격 주파수가 HDD 플래터의 자연 공진 주파수와 일치하는 것으로 확인되어 물리적 메커니즘의 타당성이 검증되었다.
• CCTV 시스템에서는 공격으로 인해 HDD가 손상되어 디지털 비디오 레코더가 완전히 기능을 잃었으며, 전체 시스템이 사용 불가가 되었다.
• 개인용 컴퓨터에서는 HDD 접근 실패로 인해 운영 체제가 부팅되지 않거나 응답이 없어지는 현상이 발생하였다.
• 공격는 거리에서도 효과적이었으며, 타겟 시스템에 물리적 접근이 필요 없어 비침습적 위협 벡터임을 입증하였다.
• 실증 결과는 음향학 및 기계학 이론에 기반한 예측과 일치하여, 관찰된 고장의 핵심 원인이 공진임을 확인하였다.