[논문 리뷰] Drift with Devil: Security of Multi-Sensor Fusion based Localization in High-Level Autonomous Driving under GPS Spoofing (Extended Version)

Junjie Shen, Jun Yeon Won외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 18.

Robotics and Sensor-Based Localization참고 문헌 86인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고수준 자율주행차에서 사용되는 생산용 다중센서 융합(MSF) 정위치 시스템의 동적이고 비결정적인 '제어권 이전' 취약점을 악용하는 새로운 GPS 스푸핑 공격인 FusionRipper를 제시한다. 공격은 지수적 편차 증가를 유도하여 MSF의 核심 설계 원칙을 무너뜨리며, 실제 스푸핑 정확도 부족 상황에서도 오프로드 공격 시 97%의 성공률과 잘못된 방향 주행 공격 시 91.3%의 성공률을 기록한다.

ABSTRACT

For high-level Autonomous Vehicles (AV), localization is highly security and safety critical. One direct threat to it is GPS spoofing, but fortunately, AV systems today predominantly use Multi-Sensor Fusion (MSF) algorithms that are generally believed to have the potential to practically defeat GPS spoofing. However, no prior work has studied whether today's MSF algorithms are indeed sufficiently secure under GPS spoofing, especially in AV settings. In this work, we perform the first study to fill this critical gap. As the first study, we focus on a production-grade MSF with both design and implementation level representativeness, and identify two AV-specific attack goals, off-road and wrong-way attacks. To systematically understand the security property, we first analyze the upper-bound attack effectiveness, and discover a take-over effect that can fundamentally defeat the MSF design principle. We perform a cause analysis and find that such vulnerability only appears dynamically and non-deterministically. Leveraging this insight, we design FusionRipper, a novel and general attack that opportunistically captures and exploits take-over vulnerabilities. We evaluate it on 6 real-world sensor traces, and find that FusionRipper can achieve at least 97% and 91.3% success rates in all traces for off-road and wrong-way attacks respectively. We also find that it is highly robust to practical factors such as spoofing inaccuracies. To improve the practicality, we further design an offline method that can effectively identify attack parameters with over 80% average success rates for both attack goals, with the cost of at most half a day. We also discuss promising defense directions.

연구 동기 및 목표

• GPS 스푸핑 공격에 대한 다중센서 융합(MSF) 정위치의 보안성을 점검하고자 하며, 이는 일반적으로 센서 융합 덕분에 완화된 것으로 간주되는 위협을 대상으로 한다.
• 실제로 사용 중인 MSF 시스템에 존재하는 이전에 알려지지 않은 취약점을 특정하고 분석하고자 하며, 이는 GPS 스푸핑이 융합된 정위치 출력을 우회할 수 있도록 허용한다.
• MSF가 의도한 내구성에도 불구하고, 대규모 횡방향 이탈(오프로드 및 잘못된 방향 주행)을 유도하는 GPS 스푸핑 공격의 실현 가능성과 효과성을 평가하고자 한다.
• 공격의 실현 가능성을 향상시키기 위해 반나절 이내에 효과적인 공격 파라미터를 식별할 수 있는 실용적인 오프라인 방법을 개발하고자 한다.
• 특히 카메라 기반 차선 감지 기반의 실패 안전 장치를 활용한 방어 방향을 탐색하고자 한다.

제안 방법

• 생산용 KF 기반 MSF 시스템인 Baidu Apollo MSF(BA-MSF)에 대해 동적 블랙박스 분석을 수행하여 GPS 스푸핑 하에서 공격의 상한선 성능을 평가한다.
• 스푸핑된 GPS 신호가 다른 센서 입력을 초월하여 지수적 편차 증가를 유도함으로써 MSF의 기본 설계 원칙인 입력 중복성의 위반을 초래하는 '제어권 이전 효과'를 발견한다.
• MSF 시스템의 일시적이고 확신이 없는 상태에서 제어권 이전 효과가 악용 가능한 순간을 탐지하고 악용하는 새로운 기회적 공격인 FusionRipper를 설계한다.
• 고수준 자율주행차 풀의 실제 센서 트레이스(6개 데이터셋)를 활용하여, 센서 노이즈와 스푸핑 정확도 부족 등의 현실 조건 하에서 공격 성공률을 평가한다.
• 공격 성공률 평균 80% 이상을 확보하는 트레이스 분석을 통한 오프라인 파라미터 식별 방법을 개발하여 실시간 공격 복잡도를 감소시킨다.
• 카메라 기반 차선 감지 기반 실패 안전 장치를 제안하고 평가하며, 이는 스푸핑된 정위치를 탐지하고 수정할 수 있으나, 동일한 제어권 이전 효과에 여전히 취약하다는 점을 인지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSF 기반 정위치 시스템에서 다수의 센서 입력이 존재하는 상황에서도 GPS 스푸핑이 대규모 횡방향 이탈을 유도할 수 있는가?
• RQ2 어떤 특정 시스템 조건이 GPS 스푸핑 공격이 MSF 출력을 지배하게 하여 융합 설계 원칙의 근본적 붕괴를 초래하는가?
• RQ3 센서 노이즈, 스푸핑 정확도 부족, 동적 환경 조건과 같은 실세계 요소에 대해 이러한 공격은 얼마나 강건한가?
• RQ4 합리적인 계산 비용으로 공격 파라미터를 사전에 오프라인으로 식별할 수 있는가? 이는 공격의 실용적 구현 가능성을 높인다.
• RQ5 이러한 스푸핑 공격에 대비한 실현 가능한 방어 전략은 무엇이며, MSF 기반 정위치의 맥락에서 이러한 전략의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• FusionRipper는 6개의 실제 센서 트레이스에서 오프로드 공격 시 97%의 성공률, 잘못된 방향 주행 공격 시 91.3%의 성공률를 기록하여 높은 실용적 효과를 입증한다.
• 스푸핑된 GPS 신호가 MSF 출력을 지배하는 '제어권 이전 효과'는 MSF 시스템의 일시적이고 확신이 없는 상태에서만 발생하며, 이는 동적이고 비결정적인 특성을 가진다.
• GPS 스푸핑 정확도 부족과 센서 노이즈와 같은 실생활 요소에 대해 공격이 강건함을 입증하여 실제 적용 가능성은 높다.
• 오프라인 방법을 통해 두 공격 목표 모두에 대해 평균 80% 이상의 성공률로 효과적인 공격 파라미터를 사전 식별할 수 있으며, 계산에 최대 반나절이 소요된다.
• 카메라 기반 차선 감지 기반 실패 안전 장치는 방어 메커니즘으로서의 잠재력을 보이나, 동일한 제어권 이전 효과에 여전히 취약하므로, 독립적이고 내구성이 강한 정위치 소스가 필요함을 시사한다.
• 본 연구는 생산용 MSF 시스템이 잘 타이밍을 맞춘 GPS 스푸핑에 대해 본질적으로 보안이 되어 있지 않음을 드러내며, 센서 융합만으로도 내구성이 확보된다는 가정을 도전한다.