Practical Spoofing Attacks against Galileo OSNMA with Time-Synchronization Manipulation

당신이 별들로부터 내려온 마법적이고 보이지 않는 지도를 이용해 길을 찾고 있다고 상상해 보세요. 이것이 바로 유럽의 갈릴레오(Galileo)와 같은 GNSS(글로벌 위성 항법 시스템)가 당신의 휴대폰이나 자동차를 위해 작동하는 방식입니다. 이들은 당신이 정확히 어디에 있는지, 그리고 지금이 몇 시인지를 알려주는 디지털 "속삭임"을 끊임없이 내보냅니다. 하지만 이 속삭임은 공개되어 있기 때문에, 교활한 사기꾼이 위성인 척 가장하여 가짜 좌표를 외침으로써 당신을 엉뚱한 곳으로 유인할 수 있습니다. 이를 막기 위해 갈릴레오 시스템은 OSNMA라고 불리는 특별한 보안 기능을 추가했습니다. OSNMA를 모든 메시지에 찍힌 첨단 기술의 '승인 인장'이라고 생각하면 됩니다. 이는 시간이 지나면서 변하는 비밀 코드를 사용합니다. 위성은 지금 메시지를 보내지만, 그 메시지를 확인하고 검증할 수 있는 키(key)는 조금 나중에 도착합니다. 만약 그 키가 메시지와 일치한다면, 당신은 그 메시지가 진짜임을 알 수 있습니다.

하지만 한 가지 문제가 있습니다. 이 보안 시스템이 제대로 작동하려면, 당신의 기기(수신기)가 매우 정확한 내부 시계를 가지고 있어야 합니다. 지연된 키가 적절한 순간에 도착했는지 확인하기 위해, 기기는 "공식적인" 시간을 잘 알고 있어야 합니다. 만약 당신의 시계가 크게 어긋나 있다면, 시스템은 그 메시지를 가짜라고 간주하고 버려버립니다. 이 논문은 이러한 시계 확인 규칙에 존재하는 영리한 허점을 탐구합니다. 연구진들은 만약 사기꾼이 당신의 기기 내부 시계를 조작함과 동시에 가짜 신호를 보낼 수 있다면, 시간과 위치가 모두 완전히 틀렸음에도 불구하고 보안 시스템이 모든 것이 완벽하게 동기화되었다고 믿게 속일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이것은 마치 도둑이 벽시계의 시간을 조작해 경비범을 속인 뒤, 그 잘못된 시간에 맞춰진 가짜 신분증을 건네주는 것과 같습니다.

거대한 시계 탈취 사건

이 연구에서 중국 시디안 대학교(Xidian University)의 연구팀은 갈릴레오 시스템의 새로운 보안 요원을 무너뜨릴 수 있는지 알아보기로 했습니다. 그들은 현재 기술로는 수학적으로 불가능한 비밀 코드를 직접 해킹하려고 시도한 것이 아닙니다. 대신, 그들은 보안 요원이 누구를 들여보낼지 결정할 때 사용하는 '규칙'을 살펴보았습니다. 보안 요사는 엄격한 규칙을 가지고 있습니다: "당신의 시계는 위성의 공식 시간과 30초 이내로 일치해야 한다." 만약 당신의 시계가 30초 이상 차이가 난다면, 요원은 "안 돼, 너는 너무 혼란스러운 상태라 신뢰할 수 없어"라고 말하며 당신을 무시합니다.

연구진은 보안 요사가 당신의 시계가 실제 세상의 시간과 일치하는지를 확인하는 것이 아니라, 단지 당신의 시계가 위성의 시간과 일치하는지만을 확인한다는 점을 깨달았습니다. 이는 "인위적 조작 시간 동기화(Artificially Manipulated Time Synchronization, ATS)"라고 불리는 교묘한 전략으로 이어졌습니다. 엄격한 문지기가 있는 클럽에 들어가려고 한다고 상상해 보세요. 문지기는 "당신의 시계는 벽시계와 맞아야 합니다"라고 말합니다. 만약 당신이 오후 2시로 설정된 시계를 차고 들어갔는데 벽시계가 오후 2시 5분을 가리키고 있다면, 당신은 들어갈 수 있습니다. 하지만 문지기를 속일 수 있다면 어떨까요? 만약 당신이 당신의 시계를 보여주기 전에 몰래 벽시계를 오후 2시로 바꿔 놓는다면 어떨까요? 이제 당신의 2시 시계는 2시인 벽시계와 일치하게 되고, 실제 시간은 오후 5시임에도 불구하고 문지기는 당신을 들여보내 줄 것입니다. 연구진이 갈릴레오 수신기에 행한 작업이 바로 이것입니다.

세 가지 거래의 기술

이 "ATS" 기술을 사용하여, 연구팀은 실제 상용 기기와 오픈 소스 소프트웨어 수신기를 대상으로 테스트한 세 가지 서로 다른 기만 방법을 구축했습니다.

1. 시간 여행 재생 (The Time-Travel Replay, TSR)
첫째, 그들은 "시간 여행 재생"을 시도했습니다. 보통 어제의 위성 신호를 기록했다가 오늘 다시 재생하면, 신호의 시간(어제)이 수신기의 현재 시간(오늘)과 일치하지 않기 때문에 수신기는 이를 거부합니다. 하지만 ATS 기술을 사용하면, 연구진은 먼저 수신기의 내부 시계를 어제로 생각하도록 해킹한 뒤, 과거의 녹음본을 재생했습니다. 수신기는 시간을 확인하고, 자신의 "해킹된" 시계가 "과 old" 신호와 완벽하게 일치하는 것을 보고는, 어제의 가짜 위치를 기쁘게 받아들였습니다. 실험에서 그들은 최대 150초 전의 신호를 성공적으로 재생했으며, 심지어 수신기를 이틀 전으로 속이는 데 성공하면서도 보안 시스템으로부터 '승인'을 받아냈습니다.

2. 가짜 신분증 위조 (The Fake ID Forgery, TSF)
다음으로, 그들은 단순히 과거의 신호를 재생하는 것을 넘어, 완전히 새로운 가짜 위치를 만들고자 했습니다. 이것이 "위조" 공격입니다. 연구진은 자신이 선택한 장소(예: 대양 한가운데의 비밀 기지)의 완전히 가짜 위성 신호를 생성하는 시스템을 구축했습니다. 어려운 점은 보안 코드를 진짜처럼 보이게 만드는 것이었습니다. 그들은 새로운 비밀 키를 발명할 수 없었기 때문에, 과거에 방송된(공개된) 키들을 "훔쳐와서" 가짜 메시지에 서명했습니다. 이 오래된 키들을 해킹된 수신기 시계와 결 Kombination하여, 그들은 완벽하게 유효해 보이는 "위조된 신호"를 만들어냈습니다. 그들은 특정 가짜 좌표(예: 북위 20°, 서경 51°)와 특정 과거 시간대에 위치한 것처럼 수신기를 속이는 데 성공했으며, 이 과정에서 보안 검사를 통과했습니다.

3. 이중 기만 (The Double-Deception, TSDF)
마지막으로, 현대적인 수신기들은 속지 않기 위해 두 개의 서로 다른 라디오 대역(E1 및 E5b)을 동시에 듣습니다. 만약 하나만 가짜로 만들고 다른 하나는 건드리지 않는다면, 수신기는 당신을 잡아냅니다. 그래서 연구진은 "이중 주파수 위조"를 구현했습니다. 그들은 두 개의 장치를 사용하여 두 대역 모두에서 동시에 가짜 신호를 송출하여, 가짜 위치와 시간이 두 대역에서 완벽하게 일치하도록 만들었습니다. 이것은 마치 마술사가 두 개의 서로 다른 모자에서 똑같은 토끼 두 마리를 동시에 꺼내는 것과 같았습니다. 테스트 결과, 이러한 스마트한 이중 대역 수신기들조차 속아 넘어갔으며, 가짜 위치와 시간을 실제인 것처럼 받아들였습니다.

결과와 현실 점검

연구팀은 실제 Septentrio 및 u-blox와 같은 회사의 실제 갈릴레오 수신기와 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 실험실 환경에서 이 기술들을 테스트했습니다. 결과는 명확했습니다. 모든 공격이 성공했습니다. 수신기들은 가짜 신호를 받아들였고, OSNMA 보안 검사를 통과했으며, 틀린 위치와 시간을 마치 진실인 것처럼 계산해 냈습니다.

그러나 연구진은 자신들의 마법에 한계가 있음을 주의 깊게 언급했습니다. 이 일을 수행하려면 공격자는 피해자와 가까이 있어야 하며(테스트에서는 몇 미터 이내), 실제 위성 신호를 압도할 수 있을 만큼 충분히 강한 신호를 가져야 합니다. 또한 "위조" 공격은 이미 비밀 키가 공개된 '과거'의 특정 시간대로만 보낼 수 있다는 점도 지적했습니다. 즉, 아직 키가 공유되지 않은 미래의 날짜나 위치로 누군가를 보낼 수는 없습니다.

결론적으로, 이 논문은 갈릴레오 시스템의 암호화 기술은 강력하지만, 수신기의 내부 시계에 의존하는 방식이 취약점을 만든다고 밝히고 있습니다. 만약 공격자가 그 시계를 조작할 수 있다면, 전체 보안 시스템을 우회할 수 있습니다. 연구진은 이를 해결하기 위해 더 안전한 시간 획득 방식(예: 암호화된 네트워크 프로토콜)을 사용하거나, 보안 키를 특정 지리적 영역에 국한시켜 다른 곳에서 재사용할 수 없도록 만드는 방안을 제시했습니다. 현재로서는, "벽에 걸린 시계"가 조작될 수 있다면 문 앞의 "경비원"도 속을 수 있음을 보여주었습니다.