[논문 리뷰] BrutePrint: Expose Smartphone Fingerprint Authentication to Brute-force Attack

Yu Chen, Yiling He|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 18.

User Authentication and Security Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기존의 尝시 제한을 우회하고 스마트폰 지문 인증(SFA) 시스템의 제로데이 취약점을 악용하여 지문 이미지를 가로채는 데 성공한 새로운 브루트포스 공격 프레임워크인 BrutePrint을 제시한다. SFA 프레임워크의 논리적 결함과 SPI 프로토콜의 취약성을 악용함으로써, 10종의 인기 스마트폰에서 무제한 지문 브루트포스 공격을 수행할 수 있었으며, 신경망 스타일 전이 기법을 활용해 생체인식 검사 기능을 우회한 결과 71%의 스푸핑 성공률를 기록하였다.

ABSTRACT

Fingerprint authentication has been widely adopted on smartphones to complement traditional password authentication, making it a tempting target for attackers. The smartphone industry is fully aware of existing threats, and especially for the presentation attack studied by most prior works, the threats are nearly eliminated by liveness detection and attempt limit. In this paper, we study the seemingly impossible fingerprint brute-force attack on off-the-shelf smartphones and propose a generic attack framework. We implement BrutePrint to automate the attack, that acts as a middleman to bypass attempt limit and hijack fingerprint images. Specifically, the bypassing exploits two zero-day vulnerabilities in smartphone fingerprint authentication (SFA) framework, and the hijacking leverages the simplicity of SPI protocol. Moreover, we consider a practical cross-device attack scenario and tackle the liveness and matching problems with neural style transfer (NST). We also propose a method based on neural style transfer to generate valid brute-forcing inputs from arbitrary fingerprint images. A case study shows that we always bypasses liveness detection and attempt limit while 71% spoofs are accepted. We evaluate BrutePrint on 10 representative smartphones from top-5 vendors and 3 typical types of applications involving screen lock, payment, and privacy. As all of them are vulnerable to some extent, fingerprint brute-force attack is validated on on all devices except iPhone, where the shortest time to unlock the smartphone without prior knowledge about the victim is estimated at 40 minutes. Furthermore, we suggest software and hardware mitigation measures.

연구 동기 및 목표

• 기존 보안 조치가 존재하더라도 일반 소비자용 스마트폰에서 대규모 지문 브루트포스 공격이 가능한지 조사하기 위해.
• 시도 횟수 제한을 우회하고 무제한 인증 시도를 가능하게 하는 SFA 프레임워크의 논리적 취약점을 특정하고 악용하기 위해.
• 지문 센서의 불안정한 SPI 통신을 악용해 하드웨어 기반 중간자(MITM) 공격을 통해 지문 이미지를 가로채는 방법을 보여주기 위해.
• 신경망 스타일 전이 기법을 활용해 생체인식 검사 기능을 우회하면서도 지문 일치 정확도를 유지하는 실용적인 다기기 공격 방법을 개발하기 위해.
• 다양한 스마트폰 모델, 운영체제 버전, 지문 센서 유형(광학식, 용량식, 초음파식)에서 공격의 타당성과 효과성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 안드로이드 및 하모니아OS 기기에서 작동하는 SFA 프레임워크의 제로데이 취약점 두 가지—취소 후 매칭 실패(CAMF) 및 잠금 후 매칭(MAL)—을 악용하여 시도 횟수 제한을 우회한다.
• 사용자 정의 하드웨어 장치를 사용해 SPI 버스에서 MITM 공격을 수행하고, 센서에서 프로세서로의 채널에 직접 지문 이미지를 가로채고 삽입한다.
• 공개 데이터베이스의 임의의 지문 이미지를 대상 SFA 시스템과 호환 가능한 스타일로 변환하기 위해 신경망 스타일 전이(NST), 특히 CycleGAN을 활용한다.
• 자동화된 브루트포스 프로세스를 통해 변환된 지문 이미지를 대상 기기의 인증 인터페이스에 체계적으로 테스트한다.
• 다양한 스마트폰 모델과 지문 센서 유형과 호환되는 저비용이며 초보자도 사용 가능한 악성 하드웨어 설정을 설계한다.
• 실제 적용 가능성을 입증하기 위해 화면 잠금, 결제 승인, 개인정보 앱 잠금 사용 케이스에서 공격 파이프라인을 검증한다.

Figure 1 : The workflow of state-of-the-art SFA systems.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 시도 횟수 제한과 생체인식 검사 기능이 존재하더라도 일반 소비자용 스마트폰에서 실질적인 브루트포스 지문 공격이 가능한가?
• RQ2 SFA 프레임워크의 논리적 또는 구현 결함 중에서 시도 횟수 제한을 우회하고 비인가된 지문 이미지 접근을 가능하게 하는 요소는 무엇인가?
• RQ3 신경망 스타일 전이 기법을 얼마나 효과적으로 활용해 생체인식 검사 기능을 우회하면서도 일치 정확도를 유지하는 스푸핑 지문 이미지를 생성할 수 있는가?
• RQ4 다양한 스마트폰 모델에서 불안정한 SPI 인터페이스를 통해 MITM 공격을 통해 지문 이미지를 가로채는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 다양한 센서 기술을 갖춘 현대 스마트폰에서 대규모 지문 브루트포스 공격의 실제 적용 가능성과 성공률는 어떠한가?

주요 결과

• BrutePrint 프레임워크는 테스트한 모든 안드로이드 및 하모니아OS 기기에서 시도 횟수 제한을 성공적으로 우회하여 무제한 인증 시도를 가능하게 하였다.
• iOS 기기에서는 표준 제한을 초과해 10회의 추가 시도가 가능하게 되었으며, 사전 지식 없이도 약 40분 내로 잠금을 해제할 수 있었다.
• 신경망 스타일 전이(CycleGAN)를 활용해 생체인식 검사 기능을 100%의 경우에서 우회하였으며, 스푸핑 시도 중 71%가 성공적으로 인증되었다.
• 광학식, 용량식, 초음파식 지문 센서를 모두 탑재한 10대의 테스트 기기에서 SPI를 통한 MITM 공격에 의한 지문 이미지 가로채기가 확인되었다.
• 화면 잠금(100% 성공), 결제 승인(100% 성공), 개인정보 앱 잠금(100% 성공) 등 다양한 응용 분야에서 공격이 효과적으로 작동하였다.
• 이 취약성은 특정 기기 모델이나 운영체제 버전에 국한되지 않으며, SFA 프레임워크의 논리적 결함에서 기인하여 모든 테스트 기기에서 영향을 받았고, 아이폰은 상대적으로 덜 영향을 받았다.

Figure 2 : The attack overview of BrutePrint .