黑客的物理攻擊 聲波攻擊加速度傳感器！

　　說(shuō)起黑客攻擊，大部分人首先會(huì)想到軟件和網(wǎng)絡(luò)通信層面的入侵，很少有人會(huì)注意到硬件傳感器也會(huì)遭受攻擊，更令人想不到的是攻擊途徑竟然是無(wú)處不在的「聲波」。然而，最近美國(guó)密歇根大學(xué)一項(xiàng)研究成功利用聲波攻擊了加速度傳感器，并且成功入侵智能手機(jī)和智能可穿戴設(shè)備Fitbit手環(huán)。

　　研究簡(jiǎn)介

　　這項(xiàng)研究主要是模擬聲學(xué)攻擊電容式MEMS加速度傳感器，通過(guò)故意制造干擾來(lái)達(dá)到欺騙傳感器的目的。微處理器和嵌入式系統(tǒng)往往過(guò)于「盲目信任」這些傳感器的輸出，使得攻擊者可以有機(jī)可乘，人為地為微處理器和嵌入式系統(tǒng)有選擇性地輸入一些數(shù)值。

　　正如研究人員在論文中所述，這項(xiàng)研究的貢獻(xiàn)主要在于以下三方面：

　　第一，物理建模，主要針對(duì)MEMS加速度傳感器的惡意聲學(xué)干擾。

　　第二，電路缺陷研究，正是由于電路缺陷，所以MEMS加速度傳感器和系統(tǒng)對(duì)于聲學(xué)入侵攻擊，才會(huì)存在安全漏洞。

　　第三，兩種軟件防御方法，減輕MEMS加速度傳感器的安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　密歇根大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程系的副教授 Kevin Fu 領(lǐng)導(dǎo)這一研究，團(tuán)隊(duì)利用精準(zhǔn)調(diào)諧的鈴聲，欺騙了不同型號(hào)的加速度傳感器。這種欺騙攻擊方式，成為了進(jìn)入這些設(shè)備的一個(gè)后門，使得攻擊者可以利用它對(duì)于設(shè)備發(fā)動(dòng)攻擊。

　　對(duì)于這項(xiàng)研究，教授這么說(shuō)：“我們的研究顛覆了關(guān)于底層硬件的普遍假設(shè)。如果你站在計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度，你不會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)安全問(wèn)題。如果你站在材料科學(xué)的角度，你也不會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)安全問(wèn)題。只有你同時(shí)站在計(jì)算機(jī)科學(xué)和材料科學(xué)的角度，你才會(huì)發(fā)現(xiàn)這些安全漏洞。”

　　加速度傳感器

　　這項(xiàng)研究攻擊方式是聲波，攻擊對(duì)象是加速度傳感器。所以，我們簡(jiǎn)單介紹一下加速度傳感器的相關(guān)知識(shí)和應(yīng)用場(chǎng)景。

　　加速度傳感器，是一種能夠測(cè)量三維空間中物體速度變化的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見(jiàn)的加速度傳感器包括電容式、電感式、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。

　　加速度傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子、航空航天、醫(yī)療電子、無(wú)人機(jī)、智能手機(jī)、智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域。它可以采集物體的加速度數(shù)據(jù)信息，發(fā)送給芯片和嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行分析和決策。它的用途包括飛機(jī)導(dǎo)航、游戲控制、手柄振動(dòng)和搖晃、汽車制動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)、地震檢測(cè)、工程測(cè)振、地質(zhì)勘探、振動(dòng)測(cè)試與分析、安全保衛(wèi)等等。

　　攻擊演示

　　為了演示和模仿這些攻擊，揭示相關(guān)的安全漏洞，研究人員扮演了白帽黑客，進(jìn)行了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)一：他們通過(guò)播放不同的惡意音樂(lè)文件，控制加速度傳感器，讓三星 Galaxy S5 手機(jī)的芯片輸出信號(hào)拼出單詞“WALNUT”。

　　實(shí)驗(yàn)二：他們利用價(jià)值5美元的揚(yáng)聲器，欺騙控制 Fitbit手環(huán)的加速度傳感器，讓實(shí)際上沒(méi)有運(yùn)動(dòng)過(guò)一步的 Fitbit手環(huán)，形成虛假計(jì)數(shù)的假象。

　　實(shí)驗(yàn)三：他們通過(guò)智能手機(jī)的揚(yáng)聲器播放了一段“惡意病毒”音樂(lè)文件，控制安卓手機(jī)的加速度傳感器，該加速度傳感器是控制玩具車的應(yīng)用程序所信任的。他們欺騙了該應(yīng)用程序，從而能夠遠(yuǎn)程控制一輛玩具汽車。

　　攻擊原理

　　電容式MEMS加速度傳感器，在加速過(guò)程中，通過(guò)對(duì)質(zhì)量偏差的感知來(lái)測(cè)量加速度值。下圖正是MEMS加速度傳感器的原理圖。

　　當(dāng)遭受到加速力時(shí)，感知的質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，從而引起電容變化，再轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬電壓信號(hào)。電壓信號(hào)則可以代表感知到的加速度。

　　聲學(xué)壓力波，會(huì)對(duì)于其傳播路徑上的物體產(chǎn)生影響。在共振頻率下，感知質(zhì)量的彈性結(jié)構(gòu)會(huì)受到聲學(xué)干擾的影響，取代原有的質(zhì)量感知，從而產(chǎn)生虛假的加速度信號(hào)。這一過(guò)程有點(diǎn)類似歌唱家在歌唱過(guò)程中，發(fā)出的聲音震碎玻璃杯，這同樣也是一種共振現(xiàn)象。

　　這種被欺騙后的加速度信號(hào)和聲學(xué)干擾信號(hào)相關(guān)，如下圖所示。這里有一點(diǎn)很重要，彈性結(jié)構(gòu)的共振頻率與其物理設(shè)計(jì)特征相關(guān)，而聲學(xué)干擾的共振頻率必須匹配彈性結(jié)構(gòu)的共振頻率，從而成功制造這種虛假的加速度。