Practical Spoofing Attacks against Galileo OSNMA with Time-Synchronization Manipulation
本文表明，伽利略（Galileo）的开放服务导航消息认证（OSNMA）可以通过一种新颖的时间同步操纵策略被绕过，从而使攻击者能够通过重放、伪造和双频伪造攻击，在满足认证要求的同时，成功地将接收机欺骗至任意位置和时间。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正试图通过星空传下的、神奇且隐形的地图来寻找方向。这就是全球卫星导航系统（GNSS，如欧洲的伽利略系统）如何为你的手机或汽车提供导航的方式。它们不断发送着数字“低语”，告诉你确切的位置和时间。但由于这些“低语”是公开的，一个狡猾的骗子可能会假冒卫星，通过喊出虚假的坐标来把你引向错误的地方。为了阻止这种情况，伽利略系统增加了一个特殊的安全功能，叫做 OSNMA。你可以把 OSNMA 想象成每一条消息上盖的一个高科技“认证印章”。它使用一种随时间变化的秘密代码；卫星现在发送消息，但用于解锁并验证这条消息的密钥会在稍后到达。如果密钥与消息匹配，你就知道这条消息是真的。
然而，这里有一个限制：为了让这个安全系统发挥作用，你的设备（接收机）必须拥有一个非常精确的内部时钟。它需要足够了解“官方”时间，以便检查延迟到达的密钥是否在正确的时间点抵达。如果你的时钟偏差太大，系统就会认为这条消息是伪造的，并将其丢弃。这篇论文探讨了该时钟检查规则中的一个巧妙漏洞。研究人员发现，如果一个骗子能同时干扰你的设备内部时钟并发送虚假信号，他们就能欺骗安全系统，让系统误以为一切都完全同步，尽管时间和位置都是完全错误的。这就像是一个小偷既说服了保安墙上的时钟是正确的，又同时递给保安一张与那个错误时间相符的假身份证。
大钟劫案
在这项研究中，来自中国西安电子科技大学的一个研究小组决定测试一下是否能攻破伽利略系统的新型“保安”。他们并没有尝试破解那些秘密代码——用目前的数学技术来说，那是几乎不可能完成的任务。相反，他们研究了保安用来决定谁可以进入的规则。这个保安有一条严格的规则：“你的手表时间必须与卫星的官方时间误差在 30 秒以内。”如果你的手表偏差超过了这个范围，保安就会说：“不，你太混乱了，不值得信任，”然后忽略你。
研究人员意识到，保安只检查你的手表是否与卫星时间一致，而不检查你的手表相对于真实世界是否真的准确。这导致他们发现了一种被称为“人工操纵时间同步”（ATS）的诡计。想象一下，你正试图进入一家有严格门卫的俱乐部。门卫说：“你的手表必须与墙上的时钟一致。”如果你带着一个设定在下午 2:00 的手表走进去，而墙上的钟显示 2:05，你会进去。但如果门卫被骗了呢？如果有人在你展示手表之前，偷偷把墙上的钟改成了 2:00 呢？现在，你 2:00 的手表与 2:00 的墙钟匹配了，于是门卫让你进去了，尽管实际时间已经是下午 5:00 了。这正是研究人员对伽利略接收机所做的事情。
三种交易手段
利用这种“ATS”技巧，该团队构建了三种不同的欺骗方式，并在真实的商用设备和开源软件接收机上进行了测试。
1. 时光倒流重放 (TSR)
首先，他们尝试了“时光倒流重放”。通常情况下，如果你录制了昨天的卫星信号并在今天播放，接收机会拒绝它，因为信号上的时间（昨天）与接收机的当前时间（今天）不符。但通过 ATS 技巧，研究人员先黑进了接收机的内部时钟，让它认为现在是昨天。然后，他们播放了旧的录音。接收机检查时间，发现其“被黑掉”的时钟与“旧”信号完美匹配，于是开心地接受了昨天的虚假位置。在实验中，他们成功重放了长达 150 秒前的信号，甚至成功让接收机误以为现在是两天前，而整个安全系统依然给出了“通过”的反馈。
2. 伪造身份证 (TSF)
接下来，他们想要做的不仅仅是重放旧信号，而是要创造全新的虚假位置。这就是“伪造”攻击。研究人员构建了一个系统，可以生成指定位置（例如位于大洋中心的一个秘密基地）的全新虚假卫星信号。难点在于如何让安全代码看起来是真的。由于他们无法发明新的密钥，他们使用了过去广播中“窃取”的密钥（这些密钥是公开的）来为他们的虚假消息签名。通过将这些旧密钥与被黑掉的接收机时钟相结合，他们创建了一个看起来完全合法的“伪造信号”。他们成功地诱导接收机相信自己处于特定的虚假坐标（如北纬 20°，西经 51°）以及特定的过去时间，同时通过了安全检查。
3. 双重欺骗 (TSDF)
最后，现代接收机很聪明；它们会监听两个不同的无线电频段（E1 和 E5b）以确保自己没有被欺骗。如果你伪造了一个而没有伪造另一个，接收机会识破你。因此，研究人员创建了“双频伪造”。他们使用两个设备同时在两个频段上广播虚假信号，确保虚假的位置和时间在两个频段上完美匹配。这就像魔术师同时从两个不同的帽子里掏出两只完全相同的兔子一样。他们的测试表明，即使是这些智能的双频接收机也被骗了，接受了虚假的位置和时间，并认为其真实可靠。
结果与现实检验
该团队在实验室环境下，使用来自 Septentrio 和 u-blox 等公司的真实伽利略接收机以及开源软件进行了测试。结果非常明确：每一种攻击都奏效了。接收机接受了虚假信号，通过了 OSNMA 安全检查，并计算出了错误的坐标和时间，仿佛那是事实。
然而，研究人员谨慎地指出了他们“魔术”的局限性。要实现这一切，攻击者需要靠近受害者（在他们的测试中距离在几米以内），并且拥有足够强的信号来淹没真实的卫星信号。他们还指出，“伪造”攻击只能将你送到“过去”的某个位置——具体来说，是针对那些密钥已经公开过的时刻。你不能利用它把某人送到未来，或者送到密钥尚未公开的地点。
论文总结道，虽然伽利略系统的密码学非常强大，但它对接收机内部时钟的依赖造成了一个漏洞。如果攻击者可以干扰那个时钟，整个安全系统都可以被绕过。研究人员建议，解决这个问题的方法可能包括使用更安全的获取时间方式（如加密的网络协议），或者使安全密钥具有特定的地理区域属性，从而使其无法在其他地方被重复使用。目前，他们已经证明了，如果“墙上的时钟”被动了手脚，那么门口的“保安”是可以被蒙蔽的。
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