[论文解读] Empirical Evaluation of Ambient Sensors as Proximity Detection Mechanism for Mobile Payments

Raja Naeem Akram, Iakovos Gurulian+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

RFID technology advancements参考文献 20被引用 4

一句话总结

本文通过实证评估安卓平台的15种环境传感器作为近场通信（NFC）移动支付中防止中继攻击的接近检测机制。尽管在1000笔交易和252名用户中进行了广泛测试，但没有任何一种传感器表现出足够的可靠性或独特性，无法在银行或门禁控制等高安全应用场景中作为可行的反中继机制。

ABSTRACT

Near Field Communication (NFC) has enabled mobile phones to emulate contactless smart cards. Similar to contactless smart cards, they are also susceptible to relay attacks. To counter these, a number of methods have been proposed that rely primarily on ambient sensors as a proximity detection mechanism (also known as an anti-relay mechanism). In this paper, we, for the first time in academic literature, empirically evaluate a comprehensive set of ambient sensors for their effectiveness as a proximity detection mechanism. We selected 15 out of a total of 17 sensors available via the Google Android platform for evaluation, with the other two sensors unavailable on widely-used handsets. In existing academic literature, only 5 sensors have been proposed with positive results as a potential proximity detection mechanism. Each sensor, where feasible, was used to record the measurements of 1000 contactless transactions at four different physical locations. A total of 252 random users, random sample of the university student population, were involved during the field trails. The analysis of these transactions provides an empirical foundation to categorically answer whether ambient sensors provide a strong proximity detection mechanism for security sensitive applications like banking, transport and high-security access control. After careful analysis, we conclude that no single evaluated mobile ambient sensor is suitable for such critical applications in realistic deployment scenarios. Lastly, we identify a number of potential avenues that may improve their effectiveness.

研究动机与目标

• 评估环境传感器作为近场通信（NFC）移动支付中防止中继攻击的接近检测机制的可行性。
• 在真实部署条件下评估15种广泛可用的安卓环境传感器的实际性能。
• 确定传感器测量值是否能够唯一配对支付终端与移动设备，以证明物理接近性。
• 识别影响传感器可靠性与设备间互操作性的技术与环境挑战。
• 为移动银行和门禁控制等高安全应用场景提供传感器适用性的实证证据。

提出的方法

• 构建了一个使用NFC功能安卓设备的测试环境，记录1000次真实世界非接触式交易期间的环境传感器数据。
• 从安卓平台选取15种环境传感器，排除了在主流设备上不可用的两种；由于高故障率，排除了WiFi、蓝牙和GPS传感器。
• 从四个不同物理位置收集了252名大学生的数据，以模拟多样的环境条件。
• 通过等错误率（EER）作为指标，分析传感器测量值的唯一性与一致性，以评估配对可靠性。
• 评估每种传感器的技术可行性、采样率限制以及并发应用程序干扰的敏感性。
• 提出未来研究方向，包括多传感器融合、分时测量以及基于位置的部署策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 安卓设备上的环境传感器能否唯一配对支付终端与移动设备的测量值，以证明接近性？
• RQ2 单个环境传感器在区分真实接近与中继交易方面的有效性如何？
• RQ3 设备硬件、传感器采样率和后台进程的差异如何影响传感器的可靠性？
• RQ4 传感器融合或分时测量能否提高接近检测的准确性？
• RQ5 基于位置的部署是否是一种可行的方法，可提升基于传感器的接近检测性能？

主要发现

• 在所有15种传感器中，没有任何一种传感器表现出足够的可靠性或独特性，无法作为高安全NFC交易中独立的反中继机制。
• 所有传感器的等错误率（EER）均过高，表明在接近性验证中存在显著的误报和漏报风险。
• 由于硬件、固件和平台级传感器管理的差异，传感器性能在不同设备间存在显著差异，严重损害了互操作性。
• 由于在真实环境中故障率高且行为不一致，WiFi、蓝牙和GPS传感器被排除在进一步分析之外。
• 即使在最优阈值设置下，利用传感器测量模糊性实施成功中继攻击的风险仍不可接受地高。
• 本研究结论认为，当前移动环境传感器在成熟度和标准化方面仍不足，无法部署于移动银行或高安全门禁控制等安全关键应用中。