黑客实验(黑客实验室)

导读

说起黑客攻击，大部分人首先会想到软件和网络通信层面的入侵，很少有人会注意到硬件传感器也会遭受攻击，更令人想不到的是攻击途径竟然是无处不在的「声波」。然而，最近美国密歇根大学一项研究成功利用声波攻击了加速度传感器，并且成功入侵智能手机和智能可穿戴设备Fitbit手环。

研究简介

这项研究主要是模拟声学攻击电容式MEMS加速度传感器，通过故意制造干扰来达到欺骗传感器的目的。微处理器和嵌入式系统往往过于「盲目信任」这些传感器的输出，使得攻击者可以有机可乘，人为地为微处理器和嵌入式系统有选择性地输入一些数值。

正如研究人员在论文中所述，这项研究的贡献主要在于以下三方面：

第一，物理建模，主要针对MEMS加速度传感器的恶意声学干扰。

第二，电路缺陷研究，正是由于电路缺陷，所以MEMS加速度传感器和系统对于声学入侵攻击，才会存在安全漏洞。

第三，两种软件防御方法，减轻MEMS加速度传感器的安全风险

第一，物理建模，主要针对MEMS加速度传感器的恶意声学干扰。

第二，电路缺陷研究，正是由于电路缺陷，所以MEMS加速度传感器和系统对于声学入侵攻击，才会存在安全漏洞。

第三，两种软件防御方法，减轻MEMS加速度传感器的安全风险

加速度传感器

这项研究攻击方式是声波，攻击对象是加速度传感器。所以，我们简单介绍一下加速度传感器的相关知识和应用场景。

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（图片来源：密歇根大学）

攻击演示

为了演示和模仿这些攻击，揭示相关的安全漏洞，研究人员扮演了白帽黑客，进行了几个实验。

实验一：他们通过播放不同的恶意音乐文件，控制加速度传感器，让三星 Galaxy S5 手机的芯片输出信号拼出单词“WALNUT”。

实验一：他们通过播放不同的恶意音乐文件，控制加速度传感器，让三星 Galaxy S5 手机的芯片输出信号拼出单词“WALNUT”。

（图片来源：密歇根大学）

实验二：他们利用价值5美元的扬声器，欺骗控制 Fitbit手环的加速度传感器，让实际上没有运动过一步的Fitbit手环，形成虚假计数的假象。

实验二：他们利用价值5美元的扬声器，欺骗控制 Fitbit手环的加速度传感器，让实际上没有运动过一步的Fitbit手环，形成虚假计数的假象。

（图片来源：密歇根大学）

实验三：他们通过智能手机的扬声器播放了一段“恶意病毒”音乐文件，控制安卓手机的加速度传感器，该加速度传感器是控制玩具车的应用程序所信任的。他们欺骗了该应用程序，从而能够远程控制一辆玩具汽车。

实验三：他们通过智能手机的扬声器播放了一段“恶意病毒”音乐文件，控制安卓手机的加速度传感器，该加速度传感器是控制玩具车的应用程序所信任的。他们欺骗了该应用程序，从而能够远程控制一辆玩具汽车。

（图片来源：密歇根大学）

攻击原理

电容式MEMS加速度传感器，在加速过程中，通过对质量偏差的感知来测量加速度值。下图正是MEMS加速度传感器的原理图。

（图片来源：密歇根大学）

当遭受到加速力时，感知的质量会发生变化，从而引起电容变化，再转换成一个模拟电压信号。电压信号则可以代表感知到的加速度。

声学压力波，会对于其传播路径上的物体产生影响。在共振频率下，感知质量的弹性结构会受到声学干扰的影响，取代原有的质量感知，从而产生虚假的加速度信号。这一过程有点类似歌唱家在歌唱过程中，发出的声音震碎玻璃杯，这同样也是一种共振现象。

这种被欺骗后的加速度信号和声学干扰信号相关，如下图所示。这里有一点很重要，弹性结构的共振频率与其物理设计特征相关，而声学干扰的共振频率必须匹配弹性结构的共振频率，从而成功制造这种虚假的加速度。

（图片来源：密歇根大学）

所以，对于MEMS加速度传感器的声学攻击方案很简单：

在声学正弦信号上，对于希望传感器输出的信号进行振幅调制，但是必须要求声学信号的频率和MEMS传感器的共振频率一致。

在声学正弦信号上，对于希望传感器输出的信号进行振幅调制，但是必须要求声学信号的频率和MEMS传感器的共振频率一致。

下图展示了研究人员如何欺骗MEMS加速度传感器，输出信号带有类似字母"WALNUT"。

（图片来源：密歇根大学）

（图片来源：密歇根大学）

受影响的传感器型号

实验只测量了来自5个不同芯片制造商的20种不同MEMS加速度传感器的信号。但是，除了加速度传感器，其他的MEMS传感器，例如MEMS陀螺仪，也容易受到这种类型攻击。

研究人员所测试的具有安全隐患的传感器列表如下图所示，B代表输出偏置攻击，C代表输出控制攻击，被标注B和C的传感器型号就代表容易受到这种类型的攻击。

（图片来源：密歇根大学）

这些传感器并不是所有的配置条件下都会出现安全漏洞，但是至少有一种情况下会发生。实验考虑的声学干扰振幅在110 db的声压级别，低一点的振幅同样也可以对于各种传感器产生负面影响。

电路缺陷

应对策略

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