[논문 리뷰] On the (In)security of Bluetooth Low Energy One-Way Secure Connections Only Mode

Yue Zhang, Jian Weng외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 27.

Bluetooth and Wireless Communication Technologies참고 문헌 31인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 Android의 BLE 프로그래밍 프레임워크에 존재하는 핵심 설계 결함을 드러내며, 이는 보안 연결 전용 모드의 보안 보장을 무력화하는 악성 다운그레이드를 허용한다. 저자들은 암호화되지 않은 'Just Works' 모드로의 암호화된 연결을 암시적으로 내리내리는 4가지 결함을 규명했으며, 이는 18종의 상용 BLE 제품과 3,501개의 Android 앱에서 검증되었고, OS 수준에서 안전한 연결을 강제하는 패치를 제안한다.

ABSTRACT

To defeat security threats such as man-in-the-middle (MITM) attacks, Bluetooth Low Energy (BLE) 4.2 and 5.x introduce the Secure Connections Only mode, under which a BLE device accepts only secure paring protocols including Passkey Entry and Numeric Comparison from an initiator, e.g., an Android mobile. However, the BLE specification does not explicitly require the Secure Connection Only mode of the initiator. Taking the Android's BLE programming framework for example, we found that it cannot enforce secure pairing, invalidating the security protection provided by the Secure Connection Only mode. The same problem applies to Apple iOS too. Specifically, we examine the life cycle of a BLE pairing process in Android and identify four severe design flaws. These design flaws can be exploited by attackers to perform downgrading attacks, forcing the BLE pairing protocols to run in the insecure mode without the users' awareness. To validate our findings, we selected and tested 18 popular BLE commercial products and our experimental results proved that downgrading attacks and MITM attacks were all possible to these products. All 3501 BLE apps from Androzoo are also subject to these attacks. For defense, we have designed and implemented a prototype of the Secure Connection Only mode on Android 8 through the Android Open Source Project (AOSP). We have reported the identified BLE pairing vulnerabilities to Bluetooth Special Interest Group (SIG), Google, Apple, Texas Instruments (TI) and all of them are actively addressing this issue. Google rated the reported security flaw a High Severity.

연구 동기 및 목표

• 실제 구현 환경에서 모바일 운영체제, 특히 모바일 운영체제에서 블루투스 저전력(BLE)의 보안 연결 전용 모드의 보안을 조사하는 것.
• Android의 BLE 프로그래밍 프레임워크에 존재하는 설계 결함을 규명하여 보안 연결 전용 모드의 보안 보장을 약화시키는 원인을 밝히는 것.
• 이러한 결함가 암호화되지 않은 'Just Works' 프로토콜로의 암시적 다운그레이드를 가능하게 하여 중간자 공격과 장치 추적을 가능하게 하는 방식을 설명하는 것.
• 이러한 결함들이 상용 BLE 기기와 Android 앱 전반에 걸쳐 실제 공격 가능성을 검증하는 것.
• Android OS 수준에서 안전한 연결을 강제하는 솔루션을 제안하고 프로토타입을 구현하는 것.

제안 방법

• Android의 BLE 프레임워크에서 BLE 연결 수명 주기의 역공학을 수행하여 연결 시작, 상태 관리, 오류 처리 및 결합 관리 과정을 분석하였다.
• 네 가지 설계 결함을 규명함: 연결 프로토콜을 지정할 수 없는 점, 악성 연결을 취소할 수 없는 점, 연결 오류를 잘못 처리하는 점, 그리고 악성 연결 이후 키 재생성 기능이 없는 점.
• 가짜 BLE 기기를 사용하여 Android 기기와의 악성 연결을 유도하는 다운그레이드 공격을 설계하고 실행함.
• 18종의 상용 BLE 기기와 Androzoo에서 확보한 3,501개의 Android 앱을 대상으로 공격을 평가하여 실제 환경에서의 공격 가능성을 확인함.
• AOSP를 통해 Android 8에 안정적인 연결 전용 모드를 OS 수준에서 강제하는 프로토타입 패치를 개발 및 통합함.
• Bluetooth SIG, Google, Apple, Texas Instruments에 연구 결과를 보고하였으며, 이들 모두가 해당 취약점을 적극적으로 수정 중임.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BLE 4.2 및 5.x에서 보안 연결 전용 모드가 Android에 구현되었을 때 왜 종단 간 보안을 제공하지 못하는가?
• RQ2 Android의 BLE 프레임워크에 존재하는 특정 설계 결함이 공격자가 암호화된 연결을 암시적으로 암호화되지 않은 'Just Works' 모드로 다운그레이드할 수 있도록 허용하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 실제 BLE 기기와 Android 앱이 이러한 다운그레이드 공격에 얼마나 노출되어 있는가?
• RQ4 Android OS 수준에서의 패치가 안전한 연결을 효과적으로 강제하고 이러한 공격을 방지할 수 있는가?
• RQ5 규명된 결함가 화이트리스트 기반 액세스 제어에 의존하는 BLE 기기의 보안에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Android의 BLE 프레임워크에 존재하는 네 가지 핵심 설계 결함로 공격자가 사용자 인지 없이도 암호화되지 않은 연결을 강제할 수 있음.
• 시험한 18종의 상용 BLE 기기 모두 다운그레이드 공격에 취약하여 중간자 공격과 데이터 조작이 가능함.
• Androzoo에서 확보한 분석 대상 3,501개의 Android 앱 모두 동일한 다운그레이드 및 중간자 공격에 취약함.
• 이 취약성은 Android 뿐만 아니라 Apple iOS에도 존재하여 BLE 구현 전반에 걸친 프로토콜 수준의 문제를 시사함.
• Google는 이 취약성을 고위험으로 평가하였으며, Google, Apple, TI, Bluetooth SIG 모두가 이 문제를 적극적으로 수정 중임.
• 제안된 AOSP 패치는 OS 수준에서 안전한 연결을 성공적으로 강제하여 규명된 공격 벡터를 차단함.