[论文解读] A New Covert Channel over Cellular Voice Channel in Smartphones

Bushra Aloraini, Daryl Johnson+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型隐蔽信道，通过调制数据至类似语音的音频信号，利用智能手机中的蜂窝语音信道实现数据外泄。作者使用基于Android的音频调制解调器，实现了13 bps的吞吐量和0.018%的误码率，通过用户态后门程序静默接听电话，绕过Android安全策略，成功实现通过语音流的数据泄露。

ABSTRACT

Investigating network covert channels in smartphones has become increasingly important as smartphones have recently replaced the role of traditional computers. Smartphones are subject to traditional computer network covert channel techniques. Smartphones also introduce new sets of covert channel techniques as they add more capabilities and multiple network connections. This work presents a new network covert channel in smartphones. The research studies the ability to leak information from the smartphones applications by reaching the cellular voice stream, and it examines the ability to employ the cellular voice channel to be a potential medium of information leakage through carrying modulated speech-like data covertly. To validate the theory, an Android software audio modem has been developed and it was able to leak data successfully through the cellular voice channel stream by carrying modulated data with a throughput of 13 bps with 0.018% BER. Moreover, Android security policies are investigated and broken in order to implement a user-mode rootkit that opens the voice channels by stealthily answering an incoming voice call. Multiple scenarios are conducted to verify the effectiveness of the proposed covert channel. This study identifies a new potential smartphone covert channel, and discusses some security vulnerabilities in Android OS that allow the use of this channel demonstrating the need to set countermeasures against this kind of breach.

研究动机与目标

• 探究利用智能手机蜂窝语音信道作为隐蔽通信介质的可行性。
• 开发并验证一种利用语音流调制实现数据外泄的实用隐蔽信道。
• 识别并利用Android操作系统中允许持久访问语音信道的安全漏洞。
• 在真实智能手机环境下评估隐蔽信道的有效性和可靠性。
• 强调在移动系统中防范此类隐蔽信道的必要性。

提出的方法

• 设计并实现基于Android的软件音频调制解调器，将数据编码并解码为类似语音的音频信号。
• 使用频移键控（FSK）技术将数据调制到语音流中，使其模拟自然语音。
• 通过创建用户态后门程序，自动应答来电，从而绕过Android安全策略，获得对语音信道的访问权限。
• 将蜂窝网络的语音路径用作隐蔽数据传输介质，视其为低带宽、持久的信道。
• 开展多种测试场景，评估在真实设备条件下的吞吐量、误码率（BER）和隐蔽性。
• 通过在真实蜂窝网络中实时传输音频，验证隐蔽信道的实现，确保其检测难度极低。

实验结果

研究问题

• RQ1 智能手机的蜂窝语音信道能否作为隐蔽数据传输的可靠介质？
• RQ2 使用语音流调制的隐蔽信道，其最大可实现吞吐量和误码率是多少？
• RQ3 如何绕过Android的安全策略，实现在无用户交互情况下的语音信道持久访问？
• RQ4 此类隐蔽信道在实时运行过程中在多大程度上可保持不被检测？
• RQ5 Android系统中存在哪些关键的技术和架构漏洞，使得此类隐蔽通信成为可能？

主要发现

• 所提出的隐蔽信道在真实蜂窝语音信道上实现了每秒13比特（bps）的数据传输速率。
• 误码率（BER）测量值为0.018%，表明其具有高可靠性和极低的错误概率。
• 成功实现用户态后门程序，可自动应答来电并打开对语音信道的访问，且无需用户授权。
• 该方法成功绕过Android的安全策略，证明其作为数据外泄的实际攻击向量。
• 在测试过程中，隐蔽信道保持未被检测，证实其在真实环境下的隐蔽性。
• 本研究证实，蜂窝语音信道是智能手机中可行且防护不足的隐蔽通信介质。