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[10872] 2016-12-29_Fansmitter：利用声波入侵物理隔离系统

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2016-12-29_Fansmitter：利用声波入侵物理隔离系统 F a n s m i t t e r ： 利 用 声 波 入 侵 物 理 隔 离 系 统 A r k T e a m   F r e e B u f   2 0 1 6 - 1 2 - 2 9 物 理 隔 离 是 指 通 过 物 理 手 段 将 目 标 系 统 和 因 特 网 以 及 其 他 一 些 不 安 全 的 网 络 进 行 隔 离 的 一 种 网 络 安 全 措 施 。 在 一 些 需 要 规 物 理 隔 离 是 指 通 过 物 理 手 段 将 目 标 系 统 和 因 特 网 以 及 其 他 一 些 不 安 全 的 网 络 进 行 隔 离 的 一 种 网 络 安 全 措 施 。 在 一 些 需 要 规 避 敏 感 或 者 关 键 信 息 泄 露 风 险 的 系 统 中 这 种 措 施 经 常 会 被 采 用 比 如 军 事 防 御 系 统 、 关 键 基 础 设 施 指 挥 和 控 制 中 心 、 金 融 系 避 敏 感 或 者 关 键 信 息 泄 露 风 险 的 系 统 中 这 种 措 施 经 常 会 被 采 用 比 如 军 事 防 御 系 统 、 关 键 基 础 设 施 指 挥 和 控 制 中 心 、 金 融 系 统 等 。 但 即 使 进 行 了 高 度 的 隔 离 ， 近 年 来 一 些 物 理 隔 离 系 统 被 入 侵 的 事 件 依 然 屡 见 不 鲜 比 如 统 等 。 但 即 使 进 行 了 高 度 的 隔 离 ， 近 年 来 一 些 物 理 隔 离 系 统 被 入 侵 的 事 件 依 然 屡 见 不 鲜 比 如 S t u x n e t 、 、 A g e n t . b t z 。 。 最 近 几 年 通 过 各 种 物 理 介 质 声 波 、 电 磁 波 、 热 量 、 光 波 等 从 物 理 隔 离 计 算 机 中 窃 取 数 据 的 可 行 性 已 经 被 研 究 人 员 证 实 。 2 0 1 6 年 ， 以 色 列 本 古 里 安 大 学 N e g e v 网 络 安 全 研 究 中 心 的 研 究 人 员 找 到 了 使 用 声 波 来 从 物 理 隔 离 计 算 机 中 提 取 数 据 的 方 法 ； 2 0 1 5 年 以 色 列 特 拉 维 夫 大 学 的 安 全 研 究 人 员 结 合 计 算 机 解 密 过 程 中 会 产 生 C P U 噪 声 的 研 究 结 论 ， 演 示 了 如 何 通 过 分 析 计 算 机 所 发 出 的 无 线 电 波 窃 取 加 密 密 钥 以 及 破 解 4 0 9 6 位 R S A 密 码 的 方 法 ； 2 0 1 5 年 B l a c k   H a t 黑 客 大 会 上 安 全 研 究 人 员 展 示 了 一 种 新 型 的 黑 客 技 术 “ F u n t e n n a ” 。 在 F u n t e n n a 技 术 的 帮 助 下 ， 研 究 人 员 可 以 通 过 声 波 来 窃 取 存 储 在 物 理 隔 离 计 算 机 中 的 数 据 。 即 使 入 侵 物 理 隔 离 系 统 的 可 行 性 已 被 证 实 ， 但 是 从 这 类 系 统 中 窃 取 数 据 仍 然 是 一 件 很 有 挑 战 性 的 任 务 ， 相 关 技 术 的 原 理 也 非 常 值 得 深 入 研 究 。 本 文 就 今 年 以 色 列 本 古 里 安 大 学 N e g e v 网 络 安 全 中 心 研 究 人 员 提 出 的 利 用 声 波 从 物 理 隔 离 系 统 中 窃 取 数 据 的 技 术 — — F a n s m i t t e r 进 行 较 为 深 入 的 解 读 。 一 、 相 关 工 作 一 、 相 关 工 作 近 年 来 各 类 国 际 安 全 会 议 上 发 表 了 各 种 利 用 不 同 类 型 的 带 外 隐 蔽 信 道 泄 露 信 息 的 方 法 ， 这 些 方 法 旨 在 建 立 一 座 通 向 物 理 隔 离 系 统 的 隐 形 “ 桥 梁 ” 。 这 些 已 经 被 公 开 的 方 法 大 体 可 以 分 为 以 下 几 类 ： 利 用 电 磁 波 隐 蔽 信 道 、 利 用 光 波 隐 蔽 信 道 、 利 用 热 量 隐 蔽 信 道 以 及 利 用 声 波 隐 蔽 信 道 ， 如 下 表 1 所 示 。 表 1   利 用 不 同 类 型 介 质 作 为 隐 蔽 信 道 泄 露 信 息 的 方 法 利 用 电 磁 波 作 为 隐 蔽 信 道 传 输 数 据 可 能 是 最 早 被 研 究 的 方 法 。 K u h n 和 A n d e r s o n 在 其 早 期 工 作 中 研 究 了 利 用 显 卡 发 出 的 电 磁 波 来 泄 露 数 据 的 方 法 。 G S M e m , F u n t h e n n a 和 S a v a t 技 术 介 绍 了 攻 击 者 可 以 利 用 电 脑 主 板 发 出 的 各 种 电 磁 辐 射 作 为 泄 露 数 据 的 隐 蔽 信 道 。 L o u g h r y 和 U m p h r e s s 研 究 了 利 用 键 盘 L E D 等 发 出 的 光 来 完 成 数 据 窃 取 。 S h a a m i r 等 人 演 示 了 如 何 利 用 远 程 激 光 和 扫 描 仪 建 立 隐 蔽 信 道 的 方 法 。 B i t W h i s p e r 技 术 更 是 通 过 热 量 来 实 现 信 息 的 传 输 。 在 声 波 方 面 ， M a d h a v a p e d d y 等 人 在 研 究 中 讨 论 了 使 用 音 频 网 络 实 现 数 据 传 输 的 方 法 该 方 法 只 需 使 用 低 成 本 的 扬 声 器 和 麦 克 风 就 能 实 现 。 2 0 1 3 年 H a n s p a c h 和 G o e t z 扩 展 了 该 方 法 利 用 扬 声 器 和 麦 克 风 实 现 了 使 用 静 距 离 超 声 波 传 输 数 据 。 我 们 可 以 看 到 已 有 的 利 用 声 波 泄 露 数 据 的 方 式 需 要 在 目 标 系 统 上 安 装 内 部 或 者 外 部 的 扬 声 器 才 能 实 现 。 这 是 一 个 很 大 的 限 制 因 为 大 多 数 情 况 下 对 安 全 性 要 求 较 高 的 系 统 中 扬 声 器 都 是 被 禁 止 使 用 的 。 而 本 文 将 要 解 读 的 F a n s m i t t e r 技 术 虽 然 也 是 基 于 声 波 实 现 数 据 传 输 但 是 却 不 需 要 目 标 系 统 上 安 装 有 扬 声 器 设 备 。 二 、 二 、 F a n s m i t t e r 攻 击 模 型 攻 击 模 型 F a n s m i t t e r 实 验 攻 击 模 型 包 含 了 一 个 信 号 发 送 装 置 和 信 号 接 收 装 置 。 在 N e g e v 实 验 室 研 究 人 员 演 示 的 攻 击 场 景 中 信 号 发 送 装 置 是 一 台 普 通 的 台 式 计 算 机 模 拟 物 理 隔 离 系 统 接 收 装 置 是 一 台 放 在 附 近 的 手 机 如 下 图 1 所 示 。 在 初 始 阶 段 假 设 发 送 装 置 和 接 收 装 置 均 已 感 染 攻 击 者 写 好 的 恶 意 程 序 。 入 侵 一 个 高 度 安 全 的 网 络 系 统 是 可 以 实 现 的 比 如 S t u x n e t , A g e n t . B t z 以 及 一 些 其 它 的 攻 击 事 件 都 证 明 了 让 目
标 系 统 物 理 隔 离 系 统 感 染 恶 意 程 序 这 种 假 设 是 有 可 能 的 。 而 入 侵 一 台 移 动 设 备 相 对 来 说 就 更 加 容 易 可 以 通 过 邮 件 短 信 恶 意 a p p 等 各 种 方 式 实 现 。 因 此 攻 击 模 型 的 假 设 可 以 成 立 。 图 1   一 个 典 型 的 攻 击 场 景 : 一 台 被 感 染 的 物 理 隔 离 计 算 机 A 和 一 台 位 于 附 件 的 手 机 B         被 感 染 计 算 机 上 的 恶 意 程 序 收 集 敏 感 信 息 比 如 密 钥 口 令 等 , 经 过 调 制 编 码 之 后 控 制 电 脑 内 部 风 扇 发 出 特 定 频 率 或 者 振 幅 的 声 波 。 附 近 的 安 装 有 麦 克 风 的 移 动 设 备 检 测 到 该 声 波 并 对 其 进 行 解 调 和 解 码 最 后 通 过 短 信 或 者 W i - F i 将 数 据 传 递 给 攻 击 者 实 现 攻 击 。 三 、 三 、 F a n s m i t t e r 利 用 组 件 利 用 组 件 — — 计 算 机 风 扇 计 算 机 风 扇 C P U , 内 存 和 显 卡 以 及 其 它 一 些 计 算 机 组 件 在 工 作 过 程 中 都 会 产 生 热 量 。 为 了 避 免 过 热 造 成 的 部 件 失 灵 和 损 耗 这 些 组 件 最 好 工 作 在 特 定 的 温 度 范 围 内 。 所 以 一 般 计 算 机 都 会 安 装 各 类 风 扇 以 促 进 空 气 流 通 从 而 防 止 内 部 组 件 过 热 。 台 式 机 通 常 会 装 备 3 到 4 种 风 扇 下 图 2 显 示 了 风 扇 在 机 箱 内 的 位 置 。
图 2   在 标 准 机 箱 中 风 扇 的 位 置 P S U ( p o w e r   s u p p l y   u n i t 电 源 电 源 ) 风 扇 图 风 扇 图 2 A 这 个 风 扇 被 集 成 在 电 源 的 尾 部 它 被 用 来 排 出 电 源 产 生 的 热 量 。 这 种 风 扇 被 一 个 内 部 控 制 器 管 理 并 且 通 常 情 况 下 不 能 被 监 测 控 制 或 者 通 过 软 件 进 行 调 节 。 底 座 风 扇 图 底 座 风 扇 图 2 A 这 个 风 扇 被 安 装 在 电 脑 的 机 箱 的 侧 面 或 者 尾 部 它 可 以 吸 进 电 脑 外 部 的 空 气 然 后 从 机 箱 顶 部 或 者 尾 部 排 出 。 C P U 风 扇 图 风 扇 图 2 C 这 个 风 扇 被 安 装 在 C P U 插 座 上 用 来 降 低 C P U 散 热 片 的 温 度 。 G P U c o m p u t e r   g r a p h i c   c a r d , 显 卡 风 扇 显 卡 风 扇 由 于 显 卡 会 产 生 大 量 热 量 所 以 显 卡 风 扇 结 构 一 般 都 是 专 门 设 计 的 。 跟 C P U 风 扇 一 样 G P U 风 扇 被 安 装 在 显 卡 散 热 器 上 。   也 有 一 些 不 太 常 见 的 风 扇 比 如 硬 盘 风 扇 、 P C I 风 扇 以 及 内 存 插 槽 风 扇 等 。 这 些 风 扇 通 常 可 以 在 服 务 器 或 者 一 些 特 殊 设 备 上 看 到 。 基 于 以 上 分 析 N e g e v 实 验 室 研 究 人 员 侧 重 研 究 C P U 风 扇 和 底 座 风 扇 因 为 它 们 在 绝 大 多 数 电 脑 上 都 有 安 装 且 可 以 通 过 恶 意 程 序 进 行 控 制 。 目 前 已 有 的 大 多 数 主 板 都 配 有 四 线 C P U 风 扇 或 者 底 座 风 扇 。 下 表 2 列 举 四 线 风 扇 连 接 器 以 及 它 们 的 功 能 。 表 2   四 线 风 扇 连 接 器 及 功 能 F A N _ T A C H 可 以 持 续 监 控 风 扇 转 速 。 F A N _ C O N T R O L 则 可 以 作 为 输 入 信 号 通 过 P W M ( p u l s e - w i d t h m o d u l a t i o n 脉 冲 宽 度 调 制 ) 设 置 并 调 整 风 扇 速 度 。 所 以 C P U 或 者 底 座 风 扇 的 转 速 可 以 手 动 或 者 自 动 调 节 。 在 自 动 调 节 模 式 下 主 板 会 根 据 当 前 温 度 自 动 调 节 风 扇 转 速 。 如 果 安 装 了 相 应 驱 动 也 可 以 使 用 B I O S 接 口 或 者 直 接 通 过 应 用 程 序 实 现 对 特 定 风 扇 转 速 的 调 节 。 目 前 针 对 不 同 的 操 作 系 统 已 经 有 很 多 开 源 的 程 序 可 以 实 现 对 风 扇 转 速 的 调 节 比 如 S p e e d F a n , M a c F a n , f a n c o n 等 。 四 、 电 脑 风 扇 声 波 信 号 四 、 电 脑 风 扇 声 波 信 号 通 常 使 用 R P M ( r e v o l u t i o n s   p e r   m i n u t e , 每 分 钟 转 速 ) 来 衡 量 电 脑 风 扇 的 旋 转 不 同 的 转 速 会 发 出 不 同 频 率 和 强 度 的 噪 声 。 普 通 的 风 扇 转 速 在 每 分 钟 几 百 转 到 每 分 钟 几 千 转 之 间 。 而 不 同 的 转 速 则 会 发 出 不 同 频 率 或 者 振 幅 的 噪 声 。 N e g e v 实 验 室 的 实 验 显 示 了 手 机 在 离 目 标 计 算 机 不 同 距 离 情 况 下 接 收 到 的 音 频 信 号 。 图 3   手 机 接 收 到 的 C P U 风 扇 发 出 的 音 频 信 号 1 米 ( 上 ) 、 4 米 ( 下 )                         B P F ( b l a d e   p a s s   f r e q u e n c y , 扇 叶 通 过 频 率 ) 则 通 常 用 来 衡 量 运 行 风 扇 的 声 音 它 的 单 位 是 赫 兹 其 计 算 公 式 是 B F P   =   n * R / 6 0 其 中 n 代 表 风 扇 扇 叶 数 R 代 表 风 扇 转 速 。 下 图 4 显 示 了 7 片 扇 叶 风 扇 在 1 0 0 0 R P M 情 况 下 的 频 谱 图 。
图 4   7 片 扇 叶 风 扇 1 0 0 0 R P M 频 谱 图 B P F 大 约 1 2 0 H z 左 右                         下 表 3 显 示 了 N e g e v 实 验 室 对 7 扇 叶 风 扇 进 行 实 验 后 得 出 的 R P M 和 B P F 之 间 的 对 应 关 系 。 表 3   7 扇 叶 风 扇 R P M 与 B P F 对 应 关 系                         由 上 表 可 以 看 到 电 脑 风 扇 发 出 的 噪 声 频 率 在 1 0 0 到 6 0 0   H z , 噪 声 在 高 频 范 围 内 非 常 明 显 为 了 实 现 隐 蔽 的 数 据 窃 取 可 以 采 用 以 下 三 种 措 施 灵 活 调 整 数 据 窃 取 时 间 可 以 在 目 标 电 脑 附 近 没 有 使 用 者 时 发 动 攻 击 使 用 低 频 率 段 传 输 数 据 使 用 低 频 率 段 比 如 1 4 0 - 1 7 0 H z 调 制 数 据 更 难 被 发 现 使 用 较 小 的 频 率 变 化 进 行 数 据 传 输 当 噪 声 频 率 变 化 较 小 比 如 1 0 0 H z 范 围 内 时 也 较 难 被 发 现 五 、 数 据 的 调 制 和 解 调 五 、 数 据 的 调 制 和 解 调 为 了 通 过 电 脑 风 扇 的 音 频 信 号 编 码 数 字 信 息 相 应 的 数 据 必 须 先 被 调 制 。 F a n s m i t t e r 技 术 使 用 两 种 调 制 方 案 1   A S K a m p l i t u d e   s h i f t   k e y i n g , 振 幅 偏 移 键 控 法 2   F S K f r e q u e n c y   s h i f t   k e y i n g , 频 率 偏 移 键 控 法 这 两 种 方 法 分 别 使 用 声 波 的 振 幅 和 频 率 来 实 现 对 数 字 信 号 的 调 制 。 比 较 而 言 F S K 调 制 更 快 速 并 且 对 环 境 噪 音 的 抗 噪 能 力 更 强 而 A S K 则 对 不 同 种 类 的 风 扇 适 用 性 更 强 。 通 常 在 已 知 目 标 系 统 风 扇 种 类 的 情 况 下 使 用 F S K 调 制 , 而 在 对 目 标 系 统 风 扇 种 类 不 确 定 的 情 况 下 使 用 A S K 调 制 。 下 面 两 图 分 别 显 示 了 N e g e v 研 究 人 员 进 行 A S K 调 制 和 F S K 调 制 的 结 果 。
图 5   在 6 0 秒 内 对 数 字 信 号 1 0 1 0 1 0 进 行 A S K 调 制 风 扇 转 速 在 3 0 0 0 R P M 和 3 5 0 0 R P M 之 间 变 化                         图 6   在 1 5 0 秒 内 对 数 字 信 号 1 0 1 0 1 0 进 行 F S K 调 制 风 扇 转 速 在 1 0 0 0 R P M 和 1 6 0 0 R P M 之 间 变 化 六 、 六 、 F a n s m i t t e r 实 验 结 果 实 验 结 果 F a n m i t t e r 实 验 对 C P U 风 扇 进 行 了 评 估 。 实 验 使 用 了 一 台 标 准 的 台 式 机 戴 尔 O p t i P l e x   9 0 2 0 , 台 式 机 使 用 英 特 尔 酷 睿 i 7 - 4 7 9 0 主 板 和 因 特 尔 Q 8 7 芯 片 集 。 实 验 同 时 使 用 了 一 台 包 含 标 准 麦 克 风 的 三 星 G a l a x y   S 4 ( I 9 5 0 0 ) 手 机 。 实 验 环 境 中 有 普 通 的 环 境 噪 声 7 台 工 作 站 一 些 网 络 交 换 机 以 及 一 台 运 行 中 的 空 调 。 下 面 几 幅 图 显 示 了 F a n s m i t t e r 实 验 中 不 同 条 件 下 的 频 谱 图 。 图 7   C P U 风 扇 音 频 频 谱 图 1 0 0 0 - 1 6 0 0 R P M 1 m                        
图 8   C P U 风 扇 音 频 频 谱 图 2 0 0 0 - 2 5 0 0 R P M , 4 m                         图 9   C P U 风 扇 频 谱 图 4 1 0 0 - 4 5 0 0 R P M , 8 m                         实 验 显 示 F a n s m i t t e r 在 1 到 8 米 的 范 围 内 都 可 以 实 现 数 据 传 输 数 据 传 输 速 率 最 高 可 以 达 到 1 5   b i t 每 秒 。 利 用 这 种 攻 击 手 段 黑 客 可 以 窃 取 类 似 加 密 密 钥 、 口 令 等 一 些 其 它 的 敏 感 信 息 。 七 、 七 、 F a n s m i t t e r 攻 击 防 御 手 段 攻 击 防 御 手 段 针 对 这 类 基 于 声 波 的 攻 击 可 以 采 用 以 下 几 种 防 御 措 施 严 格 的 区 域 限 制 在 特 定 区 域 内 严 禁 使 用 移 动 设 备 、 麦 克 风 以 及 其 它 电 子 设 备 由 于 一 些 实 际 原 因 和 空 间 限 制 这 种 方 法 并 非 总 是 可 行 。 基 于 软 件 的 防 御 措 施 使 用 终 端 检 测 等 手 段 发 现 计 算 机 中 的 恶 意 行 为 干 扰 风 扇 控 制 的 接 口 和 总 线 访 问 攻 击 者 可 以 使 用 r o o t k i t 等 技 术 躲 避 这 类 检 测 。 基 于 硬 件 和 物 理 的 防 御 措 施 a ) 对 噪 声 进 行 检 测 这 种 方 法 可 能 会 被 环 境 噪 音 干 扰   b ) 对 特 定 风 扇 增 加 隔 音 设 备 这 种 方 式 能 避 免 这 种 攻 击 但 是 成 本 和 可 扩 展 性 都 不 强   c )   用 水 冷 或 者 其 它 制 冷 方 式 来 代 替 风 扇 这 种 方 式 也 不 太 适 合 大 规 模 部 署 八 、 总 结 八 、 总 结 物 理 隔 离 并 非 绝 对 安 全 利 用 各 种 物 理 介 质 作 为 隐 蔽 信 道 实 现 信 息 窃 取 已 被 研 究 人 员 证 实 。 本 文 对 N e g e v 网 络 安 全 中 心 研 究 人 员 提 出 的 F a n s m i t t e r 攻 击 技 术 进 行 了 较 为 深 入 的 解 读 这 种 攻 击 方 法 利 用 声 波 作 为 介 质 在 不 需 要 目 标 计 算 机 安 装 扬 声 器 或 者 对 硬 件 做 任 何 修 改 的 情 况 下 能 实 现 对 目 标 系 统 信 息 的 窃 取 。 实 验 显 示 在 1 到 8 米 的 范 围 内 攻 击 都 可 以 实 现 数 据 传 输 速 率 最 高 可 以 达 到 1 5   b i t 每 秒 。 利 用 这 种 攻 击 手 段 黑 客 可 以 窃 取 类 似 加 密 密 钥 、 口 令 等 一 些 其 它 的 敏 感 信 息 。 虽 然 这 类 攻 击 在 实 施 过 程 中 仍 然 有 诸 多 限 制 但 是 其 实 现 原 理 和 攻 击 手 段 需 要 引 起 高 度 重 视 和 深 入 思 考 。 本 文 作 者 ： A r k T e a m / c i r c l e z h o u ， 转 载 请 注 明 来 自 F r e e b u f . C O M
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