Practical Spoofing Attacks against Galileo OSNMA with Time-Synchronization Manipulation

あなたは、星々から降り注ぐ魔法の、目に見えない地図を使って道を探しているところだと想像してください。これは、ヨーロッパのガリレオ（Galileo）のようなGNSS（全球測位衛星システム）が、あなたのスマートフォンや車に対してどのように機能しているかを表しています。これらは、自分がどこにいるのか、そして今が何時であるかを正確に伝えるデジタルな「ささやき」を絶え間なく送り出しています。しかし、これらのささやきは公開されているため、ずる賢いペテン師が衛星のふりをして、あなたを間違った場所へと導くための偽の座標を叫ぶことができます。これを防ぐために、ガリレオ・システムはOSNMAと呼ばれる特別なセキュリティ機能を追加しました。OSNMAは、すべてのメッセージに付与されたハイテクな「承認の印」のようなものです。これは、時間が経過するにつれて変化する秘密のコードを使用しています。衛星は「今」メッセージを送信しますが、そのメッセージを解読し検証するための「鍵」は、少し遅れて到着します。もし鍵がメッセージと一致すれば、そのメッセージは本物であると判断できるのです。

しかし、一つ問題があります。このセキュリティシステムが機能するためには、デバイス（受信機）が非常に正確な内部時計を持っている必要があります。遅れて届く鍵が、正しい瞬間に到着したかどうかを確認するためには、デバイスが「公式な時刻」を十分に正確に把握していなければなりません。もし時計が大きくずれていると、システムはそのメッセージを偽物だと判断し、破棄してしまいます。この論文では、この時計チェックのルールにおける巧妙な抜け穴について探求しています。研究者たちは、もしペテン師がデバイスの内部時計を操作し、同時に偽の信号を送ることができれば、時刻と場所の両方が完全に間違っているにもかかわらず、セキュリティシステムにすべてが完璧に同期していると思い込ませることができるということを発見しました。それはまるで、泥棒が壁の時計を正しい時刻であると警備員に信じ込ませながら、同時に、その間違った時刻に一致する偽の身分証を警備員に手渡すようなものです。

大いなる時計強盗

この研究において、中国の西安電子科技大学の研究チームは、ガリレオ・システムの新しいセキュリティガードを突破できるかどうかを検証することに決めました。彼らは、現在の技術では数学的に不可能な「秘密のコード自体を解読すること」には挑戦しませんでした。代わりに、彼らはガードが誰を通すかを判断するために使用する「ルール」に着目しました。ガードには厳格なルールがあります。「君の時計は、衛星の公式時刻から30秒以内内でなければならない」。もし時計が30秒以上ずれていれば、ガードは「ダメだ、君は混乱しすぎていて信頼できない」と言って、あなたを無視します。

研究者たちは、ガードが「あなたの時計が衛星の時刻と一致しているか」はチェックするものの、「あなたの時計が現実の世界に対して実際に正しいか」まではチェックしていないことに気づきました。これが、「人工的時刻同期操作（ATS）」と呼ばれる巧妙な戦略へとつながりました。厳格なドアマンがいるクラブに入ろうとしている場面を想像してください。ドアマンは「君の時計は壁の時計と一致していなければならない」と言います。もしあなたが午後2時の時計を持って歩いていき、壁の時計が午後2時5分を指していたら、あなたは中に入れません。しかし、もしドアマンが騙されたらどうでしょう？ もし、あなたが壁の時計の前に、壁の時計を午後2時に書き換えておいたとしたら？ 今や、あなたの午後2時の時計は、壁の時計とも一致しています。そしてドアマンはあなたを通します。たとえ、本当の時刻が午後5時であったとしてもです。これこそが、研究者たちがガリレオの受信機に対して行ったことです。

3つの商売道具

この「ATS」トリックを用いて、チームはシステムを欺くための3つの異なる方法を構築し、それらを実際の市販デバイスやオープンソースのソフトウェア受信機でテストしました。

1. タイムトラベル・リプレイ（TSR）
まず、彼らは「タイムトラベル・リプレイ」を試みました。通常、昨日の衛星信号を録音して今日再生した場合、信号上の時刻（昨日）が受信機の現在時刻（今日）と一致しないため、受信機はそれを拒否します。しかし、ATSトリックを用いることで、研究者たちはまず受信機の内部時計をハッキングして「昨日」であると認識させました。その後、古い録音を再生しました。受信機は時刻をチェックし、自身の「ハックされた」時計が「古い」信号と完璧に一致しているのを見て、昨日の偽の現在地を喜んで受け入れました。実験では、最大150秒前までの信号を再生することに成功し、さらに受信機を2日前だと思い込ませることさえできました。これらすべてにおいて、セキュリティシステムは「合格」を出していました。

2. 偽造ID作成（TSF）
次に、彼らは単に古い信号を再生するだけでなく、全く新しい偽の場所を作り出したいと考えました。これが「偽造（Forgery）」攻撃です。研究者たちは、例えば海の中の秘密基地のような、選んだ場所に対する完全に偽の衛星信号を生成するシステムを構築しました。難しいのは、セキュリティコードを本物らしく見せることでした。彼らは新しい秘密の鍵を自作することはできなかったため、過去の放送（これらは公開されています）から「盗んだ」鍵を使用して、偽のメッセージに署名しました。これらの古い鍵をハックされた受信機時計と組み合わせることで、彼らは完璧に有効に見える「偽造信号」を作り上げました。彼らは、特定の偽の座標（北緯20度、西経51度）や特定の過去の時刻にいると受信機に信じ込ませることに成功し、セキュリティチェックを通過しました。

3. 二重の欺瞞（TSDF）
最後に、現代の受信機はスマートです。騙されないように、2つの異なる無線バンド（E1およびE5b）を同時に受信します。もし片方を偽造し、もう片方を偽造しなければ、受信機に検知されてしまいます。そこで研究者たちは、「デュアル周波数偽造」を作成しました。彼らは2つのデバイスを使用して、両方のバンドで同時に偽の信号を放送し、偽の場所と時刻が両方のバンドで完全に一致するようにしました。それは、まるで手品師が2つの異なる帽子から、同時に2匹の同じウサギを取り出すようなものです。テストの結果、これらのスマートなデュアルバンド受信機でさえも騙され、偽の位置と時刻を真正なものとして受け入れたことが示されました。

結果と現実的な検証

チームは、Septentrioやu-bloxといった企業の実在するガリレオ受信機や、オープンソースのソフトウェアを用いた実際のラボ環境で、これらのトリックをテストしました。結果は明白でした。すべての攻撃が成功したのです。受信機は偽の信号を受け入れ、OSNMAセキュリティチェックを通過し、間違った位置と時刻をあたかも真実であるかのように計算しました。

しかし、研究者たちは自分たちの「魔法」の限界についても慎重に指摘しています。これを実行するには、攻撃者が被害者の近く（彼らのテストでは数メートル以内）にいる必要があり、かつ本物の衛星をかき消すほど強力な信号を持っている必要があります。また、「偽造（Forgery）」攻撃は、過去の特定の時刻（具体的には、秘密の鍵がすでに公開されている時刻）にしか送れないことも述べています。まだ鍵が共有されていない未来の日付や場所へ誰かを送ることはできません。

論文は、ガリレオ・システムの暗号技術自体は強力であるが、受信機の内部時計への依存の仕方が脆弱性を生んでいると結論付けています。もし攻撃者がその時計を操作できるのであれば、セキュリティシステム全体をバイパスできてしまうのです。研究者たちは、この問題を解決するには、より安全な方法（暗号化されたネットワークプロトコルなど）で時刻を取得するか、セキュリティキーを特定の地理的領域に限定して、他の場所では再利用できないようにすることなどが有効であると示唆しています。現時点では、彼らは「壁の時計」が細工されていれば、「ドアのガード」は騙される可能性があることを証明したのです。