[论文解读] Shattered Trust: When Replacement Smartphone Components Attack

Omer Shwartz, Amir Cohen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2018

Advanced Malware Detection Techniques参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文展示了恶意替换的智能手机组件——尤其是触摸屏——如何利用设备驱动程序中的信任机制，实施基于硬件的攻击，包括触摸注入和缓冲区溢出攻击，从而在无软件痕迹的情况下完全控制设备。其主要贡献在于提出了一条实用且低成本的攻击链，通过微控制器操控I2C通信，绕过标准安全控制，并逃避杀毒软件和固件更新的检测。

ABSTRACT

Phone touchscreens, and other similar hardware components such as orientation sensors, wireless charging controllers, and NFC readers, are often produced by third-party manufacturers and not by the phone vendors themselves. Third-party driver source code to support these components is integrated into the vendor's source code. In contrast to 'pluggable' drivers, such as USB or network drivers, the component driver's source code implicitly assumes that the component hardware is authentic and trustworthy. As a result of this trust, very few integrity checks are performed on the communications between the component and the device's main processor. In this paper, we call this trust into question, considering the fact that touchscreens are often shattered and then replaced with aftermarket components of questionable origin. We analyze the operation of a commonly used touchscreen controller. We construct two standalone attacks, based on malicious touchscreen hardware, that function as building blocks toward a full attack: a series of touch injection attacks that allow the touchscreen to impersonate the user and exfiltrate data, and a buffer overflow attack that lets the attacker execute privileged operations. Combining the two building blocks, we present and evaluate a series of end-to-end attacks that can severely compromise a stock Android phone with standard firmware. Our results make the case for a hardware-based physical countermeasure.

研究动机与目标

• 调查通过恶意替换的智能手机组件（尤其是触摸屏）实施基于硬件攻击的可行性。
• 分析智能手机设备驱动程序中假设内部组件为真实可信的信赖模型。
• 展示仅使用恶意触摸屏和低成本微控制器即可实现的实用攻击向量——触摸注入和缓冲区溢出攻击。
• 评估端到端攻击对搭载标准固件的原生Android设备的完全破坏能力。
• 倡导采用基于硬件的防护措施，例如I2C接口代理防火墙，以防范此类威胁。

提出的方法

• 逆向分析了常见触摸屏控制器（Synaptics S3718）与主处理器之间通过I2C总线通信的协议。
• 设计并实现了一个嵌入在I2C通信路径中的独立微控制器攻击平台，用于拦截和操纵数据。
• 开发了两种攻击原 primitive：通过触摸注入模拟用户输入，通过缓冲区溢出执行具有提升权限的任意代码。
• 将这两种原 primitive 组合为完整的端到端攻击，可安装应用程序、窃取数据，并实现持久的无文件根访问。
• 在真实Android设备上通过低成本硬件的受控实验环境评估了攻击效果。
• 提出一种基于硬件的I2C代理防火墙作为轻量级、非侵入式防护措施，用于监控并阻止恶意组件行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 恶意替换的触摸屏组件能否利用设备驱动程序中的信任机制来破坏智能手机的安全？
• RQ2 当仅通过被攻陷的内部外设执行时，触摸注入和缓冲区溢出攻击的实效性如何？
• RQ3 此类攻击在多大程度上能够绕过传统的基于软件的检测机制（如杀毒软件和固件更新）？
• RQ4 当前驱动程序信任模型中存在哪些架构和实现缺陷，使得此类攻击成为可能？
• RQ5 低成本的硬件解决方案（如I2C代理防火墙）是否能有效缓解这些威胁，而无需修改CPU或组件固件？

主要发现

• 恶意触摸屏组件可通过触摸注入攻击成功伪装成用户输入，实现应用程序安装和数据窃取等操作。
• 设备驱动程序中存在缓冲区溢出漏洞，使攻击者能够以提升权限执行任意代码，从而完全控制设备。
• 攻击仅使用低成本微控制器实现，成功绕过了标准安全控制，包括杀毒软件和恢复出厂设置。
• 由于攻击的无文件特性以及完全在CPU可信代码空间内执行，软件检测机制无法察觉此类攻击。
• 研究人员已成功向Google披露该漏洞，Google为此分配了CVE-2017-0650，评定为高危严重性，确认其在真实环境中的可利用性。
• 所提出的I2C代理防火墙防护措施被证明能有效检测并阻止恶意组件行为，且无需修改现有固件或硬件。