[论文解读] Light Commands: Laser-Based Audio Injection Attacks on Voice-Controllable Systems

Takeshi Sugawara, Benjamin Cyr+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Digital Media Forensic Detection被引用 68

一句话总结

本文表明，MEMS 麦克风可以通过振幅调制的激光光隐蔽地注入音频，从而实现对流行的语音控制系统在远距离（最高 110 米）和跨建筑处的远程命令注入，并讨论防御措施。

ABSTRACT

We propose a new class of signal injection attacks on microphones by physically converting light to sound. We show how an attacker can inject arbitrary audio signals to a target microphone by aiming an amplitude-modulated light at the microphone's aperture. We then proceed to show how this effect leads to a remote voice-command injection attack on voice-controllable systems. Examining various products that use Amazon's Alexa, Apple's Siri, Facebook's Portal, and Google Assistant, we show how to use light to obtain control over these devices at distances up to 110 meters and from two separate buildings. Next, we show that user authentication on these devices is often lacking, allowing the attacker to use light-injected voice commands to unlock the target's smartlock-protected front doors, open garage doors, shop on e-commerce websites at the target's expense, or even unlock and start various vehicles connected to the target's Google account (e.g., Tesla and Ford). Finally, we conclude with possible software and hardware defenses against our attacks.

研究动机与目标

• 证明 MEMS 麦克风对光也能作声响响应，并且可以被振幅调制激光驱动。
• 证明在较长距离对流行的语音控制（VC）系统进行远程语音命令注入。
• 评估基于光的命令注入对 VC 设备及其联动智能系统的安全影响。
• 提出针对基于光的信号注入攻击的软件和硬件防御。

提出的方法

• 使用振幅调制（AM）将音频编码到激光强度中，并通过声学端口将其注入到 MEMS 麦克风。
• 表征激光向光的转换以及在蓝色与红色激光（450 nm 与 638 nm）下麦克风的频率响应。
• 识别导致光到声音转换的物理转换机制（光电效应和光声效应）在 MEMS 麦克风中的作用。
• 在多种 VC 设备（Alexa、Siri、Portal、Google Assistant）上测试命令注入，并在不同激光功率和距离（最高至 110 m）下衡量成功率。
• 在最少硬件条件下评估攻击的可行性，并讨论攻击者的成本与搭建。
• 讨论对策和潜在防御。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在较远距离对 VC 系统进行远程且隐蔽的命令注入？
• RQ2 注入命令到流行的 VC 设备需要哪些激光功率和瞄准条件？
• RQ3 当暴露于基于光的注入时，连接到 VC 系统的设备和账户的安全影响是什么？
• RQ4 哪些硬件/软件防御措施可以缓解基于光的信号注入攻击？

主要发现

• 5 mW 激光可以控制许多 VC 设备；约 60 mW 可影响手机和平板电脑。
• 该攻击在距离达到 110 米且穿过封闭玻璃窗的情况下演示了命令注入。
• VC 设备常缺乏适当的用户认证，或实现存在缺陷，能启用未授权的命令。
• 在有利条件下，使用商用激光器和驱动器的便宜方案就足以实施攻击。
• 注入攻击可能涉及 ASIC 的光电效应和振膜中的光声效应；通过声学端口照明效果有效。
• 可能的对策包括硬件屏蔽、身份验证增强，以及对异常光致输出进行监控。