[논문 리뷰] You foot the bill! Attacking NFC with passive relays

Yuyi Sun, Swarun Kumar외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 21.

Wireless Power Transfer Systems참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 자기결합 공진 무선 전력 전송과 최적화된 코ils 기하학을 사용하여 NFC 통신 범위를 5cm에서 49.6cm로 연장하는 수동형, 착용형 릴레이 시스템인 ReCoil을 제안한다. 조정 가능한 커패시터와 허리 띠에 장착된 수동 코ils 어레이를 활용함으로써, 공격자가 프로토콜을 수정하거나 자신에게 활성 컴포onent를 장착하지 않더라도 스텔스 방식의 전력 공급이 없는 도청 및 릴레이 공격을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Imagine when you line up in a store, the person in front of you can make you pay her bill by using a passive wearable device that forces a scan of your credit card without your awareness. An important assumption of today's Near-field Communication (NFC) enabled cards is the limited communication range between the commercial reader and the NFC cards -- a distance below 5~cm. Previous approaches to attacking this assumption effectively use mobile phones and active relays to enlarge the communication range, in order to attack the NFC cards. However, these approaches require a power supply at the adversary side, and can be easily localized when mobile phones or active relays transmit NFC signals. We propose ReCoil, a system that uses wearable passive relays to attack NFC cards by expanding the communication range to 49.6 centimeters, a ten-fold improvement over its intended commercial distance. ReCoil is a magnetically coupled resonant wireless power transfer system, which optimizes the energy transfer by searching the optimal geometry parameters. Specifically, we first narrow down the feasible area reasonably and design the ReCoil-Ant Colony Algorithm such that the relays absorb the maximum energy from the reader. In order to reroute the signal to pass over the surface of human body, we then design a half waist band by carefully analyzing the impact of the distance and orientation between two coils on the mutual inductance. Then, three more coils are added to the system to keep enlarging the communication range. Finally, extensive experiment results validate our analysis, showing that our passive relays composed of common copper wires and tunable capacitors expand the range of NFC attacks to 49.6 centimeters.

연구 동기 및 목표

• 근접성에 기반한 보안 취약성을 해결하기 위해 NFC 시스템에서 원격 공격을 방지할 수 있도록 근접성 가정을 다루기 위해.
• 표준 5cm 제한을 초월해 NFC 통신 범위를 연장하는 수동형, 저비용, 은폐 가능한 릴레이 시스템을 설계하기 위해.
• 최대 전력 전달을 위해 기하학적 및 공진 파rameter 조정을 통해 수동 릴레이 간의 에너지 전달을 최적화하기 위해.
• 신호 강도를 유지하기 위해 신체를 통해 신호를 재루팅하기 위한 착용형 허리 띠와 추가 코일을 사용하기 위해.
• 실제 환경 조건에서 상용 NFC 리더와 여러 NFC 카드를 대상으로 시스템의 효과성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 구리 코일과 조정 가능한 커패시터를 사용하여 자기결합 공진 무선 전력 전송(MCR-WPT) 시스템을 설계하여 수동 에너지 수확 및 신호 릴레이를 가능하게 하였다.
• 비선형 전력 전달 최적화에서 局부 최적해를 피하기 위해 코일 기하학과 상호 인덕턴스를 최적화하는 ReCoil-Ant Colony Algorithm(RACA)을 개발하였다.
• 신호 감쇠를 최소화하고 자기장 흐름 결합을 유지하기 위해 신체를 통해 신호를 루팅하는 수동형 반반 허리 띠를 구현하였다.
• 허리 띠의 범위를 초월해 통신 범위를 연장하기 위해 배낭에 추가로 세 개의 코일을 통합하였다.
• 금속 물체로부터의 간섭을 줄이고 신호 집중도를 향상시키기 위해 페라이트 보드를 사용하였다.
• 상용 NFC 리더(예: 화웨이 메이트9, 샤오미 6, 삼성 갤럭시 A9 스타)와 여러 NFC 카드를 대상으로 광범위한 실험을 수행하여 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동형, 착용형 릴레이가 전원 공급이나 프로토콜 수정 없이도 표준 5cm 제한을 초월해 NFC 통신 범위를 연장할 수 있는가?
• RQ2 수동 릴레이 시스템에서 최대 전력 전달을 위해 최적의 코일 기하학과 공진 주파수를 어떻게 결정할 수 있는가?
• RQ3 신체를 통해 수동 코일을 사용해 신호를 재루팅할 수 있는 정도는 어느 정도이며, NFC 카드 활성화에 필요한 충분한 전력을 유지할 수 있는가?
• RQ4 실제 환경에서 다수의 NFC 카드가 존재할 경우 공격 성공률과 통신 거리는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 다양한 출력 전력과 신호 특성을 가진 상용 NFC 리더 간에도 시스템이 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• ReCoil은 NFC 리더와 수동 태그 간 최대 통신 거리를 표준 5cm 제한 대비 10배 이상 증가시킨 49.6cm로 연장하는 데 성공하였다.
• 모든 테스트된 상용 스마트폰(화웨이 메이트9, 샤오미 6, 삼성 갤럭시 A9 스타 포함)에서 40cm 이상의 통신 거리를 달성하였다.
• 여러 NFC 카드가 존재할 경우 ReCoil은 여전히 한 카드에 대해 성공적인 공격를 수행할 수 있었지만, 최대 거리는 세 장의 카드가 있을 경우 40.5cm로 감소하였다.
• ReCoil-Ant Colony Algorithm(RACA)는 최적의 코일 파rameter를 효과적으로 찾았으며, 비최적화 설정 대비 전력 전달 효율을 크게 향상시켰다.
• 착용형 허리 띠 설계 덕분에 신체를 통해 효과적인 신호 재루팅이 가능했으며, 신호 무결성을 유지하고 장거리 공격를 가능하게 하였다.
• 수동형, 배터리 없는 설계와 활성 전송의 부재로 인해 기존 수단으로는 탐지되지 않아 스텔스성과 은폐성이 확보되었다.