[论文解读] Acoustic Denial of Service Attacks on HDDs

Mohammad Shahrad, Arsalan Mosenia+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Digital and Cyber Forensics参考文献 21被引用 8

一句话总结

本文提出了一种针对硬盘驱动器（HDD）的新型非接触式拒绝服务攻击，该攻击利用声学共振在HDD盘片中引发破坏性振动，从而中止读写操作。通过识别并传输特定共振频率，该攻击在实际系统（如个人电脑和CCTV数字视频录像机）中使HDD失效，展示了关键的物理层安全漏洞。

ABSTRACT

Among storage components, hard disk drives (HDDs) have become the most commonly-used type of non-volatile storage due to their recent technological advances, including, enhanced energy efficacy and significantly-improved areal density. Such advances in HDDs have made them an inevitable part of numerous computing systems, including, personal computers, closed-circuit television (CCTV) systems, medical bedside monitors, and automated teller machines (ATMs). Despite the widespread use of HDDs and their critical role in real-world systems, there exist only a few research studies on the security of HDDs. In particular, prior research studies have discussed how HDDs can potentially leak critical private information through acoustic or electromagnetic emanations. Borrowing theoretical principles from acoustics and mechanics, we propose a novel denial-of-service (DoS) attack against HDDs that exploits a physical phenomenon, known as acoustic resonance. We perform a comprehensive examination of physical characteristics of several HDDs and create acoustic signals that cause significant vibrations in HDD's internal components. We demonstrate that such vibrations can negatively influence the performance of HDDs embedded in real-world systems. We show the feasibility of the proposed attack in two real-world case studies, namely, personal computers and CCTVs.

研究动机与目标

• 探究声学共振是否可被武器化，以在无物理接触的情况下干扰HDD运行。
• 识别可被利用以导致机械故障的HDD组件（尤其是盘片）的共振频率。
• 在如CCTV和个人电脑等关键任务系统中，证明此类攻击的可行性。
• 通过实证测试和HDD的物理拆解验证攻击机制。
• 揭示广泛部署的存储系统中此前被忽视的物理层安全威胁。

提出的方法

• 使用共振散射理论建模特定声学频率如何激发HDD组件的机械振动。
• 在多款最新HDD型号上进行受控实验，通过扫频音声学激励识别其共振频率。
• 在识别出的共振频率处生成定向声信号，以在HDD盘片中引发大振幅振动。
• 拆解HDD以直接测量并确认攻击频率与盘片自然共振频率一致。
• 通过向真实世界系统（包括台式电脑和CCTV DVR）施加声信号，评估系统层面的影响。
• 将观察到的性能下降和操作中止与物理共振现象相关联，以确认因果关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用声学共振在无物理接触的情况下，在HDD盘片中引发破坏性振动？
• RQ2 现代HDD组件中可被用于拒绝服务攻击的特定共振频率是什么？
• RQ3 声信号在多大程度上可干扰真实计算系统中HDD的正常运行？
• RQ4 HDD的物理结构（尤其是盘片）在共振声激励下如何导致其易受攻击？
• RQ5 该攻击是否可在CCTV系统和个人电脑等实际环境中可靠重现并验证？

主要发现

• 通过向所有测试的HDD型号传输其识别出的共振频率声音，攻击成功中止了读写操作。
• 拆解证实，攻击频率与HDD盘片的自然共振频率一致，验证了物理作用机制。
• 在CCTV系统中，攻击通过干扰HDD使数字视频录像机失效，导致系统完全不可用。
• 在个人电脑上，攻击导致操作系统无法启动或因HDD访问失败而无响应。
• 该攻击即使在远距离下也有效，无需对目标系统进行物理接触，展示了非侵入式攻击向量。
• 实证结果与基于声学和力学理论的预测一致，证实了共振在此类故障中的作用。