[논문 리뷰] Injected and Delivered: Fabricating Implicit Control over Actuation Systems by Spoofing Inertial Sensors

Yazhou Tu, Zhiqiang Lin외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 20.

Modular Robots and Swarm Intelligence인용 수 47

한 줄 요약

이 논문은 임베디드 MEMS 관성 센서를 속이기 위한 비침투적 대역외 음향 주입을 분석하고 암묵적 제어를 가능하게 하며 Side-Swing 및 Switching 공격을 도입하고 25개 기기를 평가한다.

ABSTRACT

Inertial sensors provide crucial feedback for control systems to determine motional status and make timely, automated decisions. Prior efforts tried to control the output of inertial sensors with acoustic signals. However, their approaches did not consider sample rate drifts in analog-to-digital converters as well as many other realistic factors. As a result, few attacks demonstrated effective control over inertial sensors embedded in real systems. This work studies the out-of-band signal injection methods to deliver adversarial control to embedded MEMS inertial sensors and evaluates consequent vulnerabilities exposed in control systems relying on them. Acoustic signals injected into inertial sensors are out-of-band analog signals. Consequently, slight sample rate drifts could be amplified and cause deviations in the frequency of digital signals. Such deviations result in fluctuating sensor output; nevertheless, we characterize two methods to control the output: digital amplitude adjusting and phase pacing. Based on our analysis, we devise non-invasive attacks to manipulate the sensor output as well as the derived inertial information to deceive control systems. We test 25 devices equipped with MEMS inertial sensors and find that 17 of them could be implicitly controlled by our attacks. Furthermore, we investigate the generalizability of our methods and show the possibility to manipulate the digital output through signals with relatively low frequencies in the sensing channel.

연구 동기 및 목표

• 제어 시스템에 사용되는 MEMS 관성 센서에 대한 비침투적 스푸핑 공격의 위험성을 동기 부여하고 평가한다.
• 대역외 음향 신호가 ADC 샘플링과 어떻게 상호 작용하여 제어 가능한 디지털 출력을 생성하는지 특징화한다.
• 원하는 방향으로 센서 판독값을 편향시키기 위한 두 가지 공격 패러다임(Side-Swing 및 Switching)을 개발한다.
• 샘플링 주파수 드리프트, 진폭, 위상 등 영향 요인을 밝히고 실제 다양한 기기에서 공격 실행 가능성을 평가한다.

제안 방법

• 언더샘플링 및 에일리어싱 하에서 대역외 아날로그 신호의 디지털화 모형화.
• 샘플링 주파수 드리프트가 디지털 출력의 주파수 편차를 어떻게 증폭하는지 정의하고 분석한다(정리 1).
• 진동하는 디지털 신호를 형상화하기 위한 디지털 진폭 조정을 도입한다(언더샘플링 효과).
• 위상 오프셋과 방향 제어를 유도하기 위한 주파수 변화를 통한 위상 페이싱을 제안한다.
• 타깃 방향으로 판독값을 편향시키는 두 가지 비침투적 공격 방법(Side-Swing 및 Switching)을 설명한다.
• V[i]=A[i]·sin(Φ[i])이고 Φ[i]가 ε와 F_S에 따라 달라지는 대역외 신호 주입 모형을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비침투적 음향 주입이 실제 시스템에서 임베디드 MEMS 관성 센서를 신뢰성 있게 제어할 수 있는가?
• RQ2 샘플링 주파수 드리프트, 언더샘플링 및 위상 효과가 디지털 sensor 출력 조작을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 실용적인 공격 전략(Side-Swing, Switching)과 기기 간 효과성은 어떠한가?
• RQ4 이러한 스푸핑 공격에 의해 영향을 받는 시스템 및 작동 범위는 어디까지인가?

주요 결과

• 25대의 기기 중 17대가 음향 공격에 의해 암묵적으로 제어될 수 있었다.
• 음향 신호에 의해 23대의 기기가 영향을 받았으며 제어 수준은 다양했다.
• 두 대의 기기는 음향 강도가 충분하지 않아 민감도가 매우 제한적이었다; 네 대의 기기는 DoS 공격에 취약했으며; 두 대의 기기는 영향을 받지 않았다.
• 테스트된 설정에서 자이로 센서가 가속도계보다 더 강한 악의적 제어를 보였다.
• Side-Swing 공격은 비대칭 진폭 변조를 통해 목표 방향으로 헤딩을 축적한다.
• Switching 공격은 음향 주파수를 반복적으로 전환하여 위상 페이싱을 유도함으로써 더 큰 헤딩 이득을 달성한다.