黑客的物理攻击 声波攻击加速度传感器！

　　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。

　　密歇根大学的计算机科学和工程系的副教授 Kevin Fu 领导这一研究，团队利用精准调谐的铃声，欺骗了不同型号的加速度传感器。这种欺骗攻击方式，成为了进入这些设备的一个后门，使得攻击者可以利用它对于设备发动攻击。

　　对于这项研究，教授这么说：“我们的研究颠覆了关于底层硬件的普遍假设。如果你站在计算机科学的角度，你不会发现这个安全问题。如果你站在材料科学的角度，你也不会发现这个安全问题。只有你同时站在计算机科学和材料科学的角度，你才会发现这些安全漏洞。”

　　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。

　　加速度传感器，是一种能够测量三维空间中物体速度变化的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

　　加速度传感器广泛应用于汽车电子、航空航天、医疗电子、无人机、智能手机、智能硬件、物联网等工业和消费电子领域。它可以采集物体的加速度数据信息，发送给芯片和嵌入式系统进行分析和决策。它的用途包括飞机导航、游戏控制、手柄振动和摇晃、汽车制动启动检测、地震检测、工程测振、地质勘探、振动测试与分析、安全保卫等等。

　　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。

　　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。

　　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。