[논문 리뷰] Cryptography Is Not Enough: Relay Attacks on Authenticated GNSS Signals

Maryam Motallebighomi, Harshad Sathaye외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

Advanced Authentication Protocols Security인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 암호화된 항법 메시지 내용을 수정하지 않고도, 실제 시간 기반으로 4,000km 떨어진 위치로 GNSS 수신기를 위조할 수 있는 실시간·저비용 릴레이 공격을 구현한다. 일반적인 수신 시간과 전송 시간을 활용한 가짜 거리 추정 기법을 악용하여, 현장에서 수신한 신호만으로 실시간으로 신호 시간을 조작함으로써 암호 인증 기반 보호 조치를 무력화시킨다.

ABSTRACT

Civilian-GNSS is vulnerable to signal spoofing attacks, and countermeasures based on cryptographic authentication are being proposed to protect against these attacks. Both Galileo and GPS are currently testing broadcast authentication techniques based on the delayed key disclosure to validate the integrity of navigation messages. These authentication mechanisms have proven secure against record now and replay later attacks, as navigation messages become invalid after keys are released. This work analyzes the security guarantees of cryptographically protected GNSS signals and shows the possibility of spoofing a receiver to an arbitrary location without breaking any cryptographic operation. In contrast to prior work, we demonstrate the ability of an attacker to receive signals close to the victim receiver and generate spoofing signals for a different target location without modifying the navigation message contents. Our strategy exploits the essential common reception and transmission time method used to estimate pseudorange in GNSS receivers, thereby rendering any cryptographic authentication useless. We evaluate our attack on a commercial receiver (ublox M9N) and a software-defined GNSS receiver (GNSS-SDR) using a combination of open-source tools, commercial GNSS signal generators, and software-defined radio hardware platforms. Our results show that it is possible to spoof a victim receiver to locations around 4000 km away from the true location without requiring any high-speed communication networks or modifying the message contents. Through this work, we further highlight the fundamental limitations in securing a broadcast signaling-based localization system even if all communications are cryptographically protected.

연구 동기 및 목표

• 암호화된 GNSS 항법 메시지의 인증이 실시간·임의의 위치 위조 공격을 방지하지 못함을 입증하는 것.
• 방송 기반 GNSS 시스템의 근본적인 설계 결함를 규명하여, 신호의 시간적 조작을 통해 위조가 가능함을 밝히는 것.
• 고속 네트워크나 메시지 수정 없이도 실시간으로 작동하는 스푸핑 장치를 개발하고 평가하는 것.
• 피해자 또는 공격자의 실제 운동과 무관하게 동적 운동 경로에 따라 위조가 가능함을 보여주는 것.
• 기존의 탐지 기법이 이 새로운 공격 벡터에 대해 얼마나 효과적인지 평가하는 것.

제안 방법

• 가짜 거리 추정에 일반적으로 사용되는 공통 수신 시간과 공통 전송 시간 기법을 활용하여 가짜 거리를 추정하는 방식.
• 목표로 하는 위조 위치에 해당하는 가짜 거리를 시뮬레이션하기 위해 각 위성에 대한 정밀한 신호 지연을 계산하는 방식.
• 메시지 전체를 복호화하지 않고도 실시간으로 디코딩된 항법 메시지 비트를 처리함(매 20ms마다), 낮은 지연 시간을 달성함.
• 소프트웨어 정의 신호 장치를 사용하여 수신, 처리, 재전송하는 과정에서 제어 가능한 시간 오프셋을 적용함.
• 신호 무결성을 유지하면서도 인위적인 시간 지연을 도입하는 실시간 신호 생성 파이프라인을 운영함.
• 상용 uBlox 및 오픈소스 GNSS-SDR 수신기에서 공격를 검증하여 광범위한 적용 가능성을 입증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GNSS 항법 메시지의 암호화된 인증이 실시간 위치 위조 공격을 방지할 수 있는가?
• RQ2 항법 메시지 내용을 수정하지 않고도 임의의 위치로 GNSS 수신기를 위조할 수 있는가?
• RQ3 위조 위치에서 사전에 신호를 캡처하지 않고도 현장에서 수신한 신호만으로 실시간으로 위조 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ4 기계 학습이나 물리 계층 특징 기반의 기존 스푸핑 탐지 기법들이 이 공격에 대해 얼마나 효과적인가?
• RQ5 신호 시간 조작이 장거리(예: 4,000km) 및 복잡한 운동 경로에서 위조의 정확성과 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 공격는 항법 메시지 내용을 수정하지 않고도 진짜 위치에서 최대 4,000km 떨어진 위치로 GNSS 수신기를 성공적으로 위조했다.
• 실시간 스푸퍼는 종합적인 신호 처리 지연이 24ms 이내였으며, 비트당 평균 처리 시간은 317.485μs였다.
• 공격는 고속 통신 네트워크나 위조 위치에서의 사전 신호 기록이 필요하지 않았다.
• 공격자는 피해자나 공격자의 실제 운동과 무관하게 어떤 동적 운동 경로라도 위조할 수 있었다.
• OSNMA 및 CHIMERA와 같은 암호 인증 메커니즘은 공격가 신호 시간 조작을 통해 무력화되었으며, 메시지 무결성은 손상되지 않았다.
• SCER 분석 및 기계 학습 기반 탐지 기법을 포함한 기존 탐지 방법들은 이 공격에 대해 효과가 없었으며, 저지연·실시간 신호 조작 탓에 무력화되었다.