[논문 리뷰] 전파 방해를 이용한 NFC 환경에서의 릴레이공격 방어

 

요약

• 모바일을 이용한 전자금융 증가 -> 모바일 결제시장 규모 확장 -> NFC (Near Field Communication/비접촉식 근거리 무선 통신 기술) 기반 서비스 발전
• 릴레이 공격(MITM 공격의 일종): 사용자 사이에서 간단한 메시지 전달만으로 인증 획득하는 공격. 
• 본 논문에서는 전파방해(Network Jammng)를 방어 기법으로 이용해 공격자의 공격 시도 차단에 중점 두는 시스템 제안.

 

1. 서론

NFC:

• 13.56MHz의 주파수 대역 사용하여 약 10cm 이하의 근거리 통신
• 0.1초 이내의 인식속도를 갖고 NFC 디바이스 간 or NFC 디바이스-리더기 간 정보 송수신
• 카드 에뮬레이션 모드, 단말 대 단말 모드, 읽기/쓰기 모드

릴레이 공격:

• 보안 프로토콜 있어도 공격자는 요청&응답 전달만 하면 되기 때문에 공격이 간단. 
• 어플리케이션 계층의 암호화로는 방어 불가

 

2. 연구배경

2.1 릴레이 공격 (relay attack)

릴레이 공격은 실제 인증과정에서 메시지 위변조 없이 단순히 전송되는 메시지를 전달만 하는 형태의 공격.

일반적으로 근거리 통신에서는 중간자 공격(MITM)이 적용되기 어렵지만, 릴레이 공격은 예외

사용자-리더기 사이에 두 개의 공격기기가 위치하여 사용자와 리더기가 서로 정상적으로 통신하고 있다고 믿게끔 속임

 

2.2 방어 기법

사용자와 리더기가 근접한 거리에 있음을 증명할 수 있어야 방어 가능.

 

이미 알려진 방어 기법:

1) 거리 제한 프로토콜 (distance bounding protocol)

• 필요한 공유 값 주고받기 → 거리 확인 위한 여러 차례의 비트(무작위값) 교환 → 교환한 비트들에 대한 검증 실행
• 시작과 끝 사이 시간차를 확인해 상한값 이내에 비트 송수신 완료되었는지 판단하여 거리 파악
• 한계: 통신매체의 통신환경에 따른 지연 시간 오차 발생 가능성 & 통신 트래픽 항상 일정하게 발생하지 않음 

2) 이중인증

• 두 가지 인증 방법 조합하여 안전성 향상시키는 인증방법. 인증 요소들은 다음과 같음:
  • 자신이 알고 있는 것 (비밀번호 등)
  • 자신이 소유하고 있는 것 (일회용 암호장비 등)
  • 자신 그 자체 (지문, 홍채 등)
• 한계: 비밀번호와 암호장비는 분실 위험 높음, 신체적 요소 이용한 인증은 정밀성 높이면 실패율 높아지고 낮추면 오차율 높아짐

3) 위치기반탐지기법

• 스마트폰에 장착된 무선통신모듈&GPS 이용하는 방식
• 한계: GPS 위치값 조작 가능, 실내 측정 어려움, 오류 발생 빈도 높음

4) 소리 이용 방어기법

• 증명자&검증자가 각각 주변의 소리 녹음하여 두 소리 분석한 정보 비교 후 유사하면 인증이 되는 방식.
• 한계: NFC 환경에 적용할 경우 소리 녹음 시간+분석 시간 오래 걸림. 분석 정확도 높이기 위해 많은 데이터 저장됨. NFC 통신 사용해 데이터 전달할 경우 시간 오래 걸림. 

 

2.3 공격 사례

릴레이 공격 적용 시:

• 원거리에 위치한 리더기와 사용자 사이에서 공격자는 무선 채널 이용해 서로의 메시지 전달해 공격 수행 가능
• APDU: Application Data Units. 스마트 카드(IC 카드)와 리더기 사이에서 데이터를 교환하는 응용 계층의 통신 단위.

공격 사례에서는 NFCProxy라는 안드로이드 오픈 소스 어플리케이션 사용. 공격 환경은 다음과 같다:

• 두 대의 안드로이드 디바이스로 구성
• 리더기와 통신하는 공격 디바이스는 전달받은 메시지를 HCE(Host Card Emulation) 모드로 전달하기 위해 Cyanogen 운영체제로 커스텀 빌드된 상태

공격 시나리오:

• 공격자 1: 카드와 공격단말기 소유한 채 카드에서 발생하는 메시지를 다른 공격자에게 전달
• 공격자 2: 결제 리더기에서 전달받은 메시지를 결제에 사용
  • 다만 해당 시나리오는 해외 HCE 표준을 사용한 사례로, 우리나라의 경우와는 맞지 않음. (우리나라 NFC는 NFC USIM 기반을 표준으로 사용 중)

 

3. 제안방법

* 공격자가 릴레이 공격 수행할 때 사용하는 무선채널의 주파수대역과 NFC 통신을 할 때 사용하는 주파수대역의 차이 이용하여 공격자의 릴레이통신 차단

제안 시스템

• 리더기-전파방해 장비는 하드웨어적 연결 상태.
• 점선 표시 영역은 전파방해 장비의 전파방해 범위 (이 범위 넓어지면 주변 네트워크 환경에 영향 끼칠 우려 발생)

시스템 통신 절차

• 기존 NFC 통신 그대로 사용 + 모든 통신의 시작&끝부분에 리더기가 전파방해 장비의 전파방해 제어
• 릴레이 공격 "탐지"가 아닌 "차단"에 목적을 둠
• 전파방해 이용하여 공격에 사용될 수 있는 특정 무선 주파수 대역의 통신 차단 → HCE 방식&USIM 방식 모두 적용 가능
• NFC 통신 속도는 다른 스마트카드보다 2배 이상 빠름
• 특정 주파수대역(2.4GHz)에만 한정적 범위로 영향 미침 → 전파방해로 인한 주변 사용자의 통신장애요소 최소화 

3.1 방어모델

방어 성공 상황 (전파방해로 인해 릴레이공격자-프록시공격자 사이 통신 계속적으로 실패)

사용자와 통신하는 공격자: 릴레이 공격자

리더기와 통신하는 공격자: 프록시 공격자

두 공격자는 무선채널을 통해 연결되어 있으며 사용자-리더기 사이의 모든 메시지를 전달

 

방어 성공 상황의 통신 흐름

기존 릴레이 공격:

• 릴레이 공격자가 획득한 메시지를 프록시 공격자에게 전달 -> 프록시 공격자가 사용자로 가장해 NFC 통신 요청 -> 리더기는 요청 들어올 때 프록시 공격자에게 응답메시지 전달

전파 방해를 이용한 방어:

• 리더기 측에 NFC 통신 요청 들어오면 전파방해 장비 작동 -> 프록시 공격자는 전파방해로 인해 릴레이 공격자로부터 메시지 전달받지 못함 -> 리더기는 NFC 통신 지속적으로 실패할 경우 통신 종료&리더기 작동 해제

 

3.2 제안분석

.1) 방어기법 비교

• 제안방법의 경우,
  • 신뢰성: 공격자들의 메시지 전달을 차단하여 공격 막기 때문에 우수
  • 편리성: 사용자의 추가 입력 필요 없어서 우수
  • 비용: 리더기마다 전파방해 장비 설치 비용 발생
  • 구현 가능성: 전파방해 장비만 추가로 연결하여 구현 가능

 

•  

4. 제안방법의 구현

4.1 구현

본 시스템 구현 위해서는 전파방해장비 필요

※ 그러나 전파법상 우리나라에서 전파방해장비의 휴대/사용 불가

→ 전자레인지 작동 중 발생하는 2.4GHz 신호 이용해 전파방해효과 구현

 

NFC 통신: 단말 대 단말 모드

공격자의 통신채널: 2.4GHz 대역 사용, 소켓통신

 

4.2 일반적인 환경에서의 릴레이 공격

일반적인 결제서비스 환경에서는 여러 번의 인증절차와 결제정보 등을 전송하지만 본 논문에서는 제안 시스템의 방어가능성 확인 위해 단말 대 단말 모드 사용 + 한 번의 메시지 요청과 응답

 

4.3 전파방해 환경에서의 릴레이 공격

공격자 A: 리더기로 가장하여 사용자와 NFC 통신

공격자 B: 사용자로 가장하여 리더기와 NFC 통신

 

공격자 A와 공격자 B는 와이파이로 연결된 릴레이 채널을 통해 메시지 전달

하지만 전파방해 환경에서는 전파방해로 인해 릴레이 채널이 무력화되며 통신이 불가능해짐

리더기는 일정 시간동안 응답 메시지 기다린 후 타임아웃 되며 릴레이 공격은 실패

 

5. 결론

본 논문의 제안방식은 리소스가 제한된 모바일 환경에서의 릴레이 공격 방지를 위해 탐지가 아닌 공격자의 통신채널 무력화를 통한 릴레이 공격의 차단을 목적으로 함. 훼손이나 분실의 우려가 없고 사용자의 추가입력이 불필요하기에 편리성 높음. 결제서비스, 결제방식에 구애받지 않고 적용이 가능하다는 장점.

 

6. 추후연구

• 본 논문의 제안방식은 전자레인지가 동작할 때 전파되는 2.4GHz 대역의 신호 사용하며 공격자의 무선통신채널 차단함.
  • → 공격자가 전파방해 회피 위해 채널을 변경하여 전파방해를 회피(전파방해장비가 동시에 2.4GHz 대역의 11개 모든 채널을 방해할 수 없기 때문에 가능한 방어 기법) 할 수 있다면 전파방해가 무력화되기에 관련 연구 필요 
• 전파방해신호가 주변에 위치한 정상적 사용자들에게 영향 끼칠 수도 있음.
  • 전파방해신호의 세기 조절하여 NFC 통신가능범위만을 포함할 수 있는 범위설정 필요
  • NFC 통신은 빠르게 이뤄지기 때문에 이에 맞는 전파방해신호 전송시간 설정 필요

 

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참고

•  오성택, 「전파방해를 이용한 NFC 환경에서의 릴레이공격 방어」, 아주대학교 대학원 석사학위논문, 2016.

https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=DIKO0014010349

[논문]전파방해를 이용한 NFC환경에서의 릴레이 공격 방어