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GPS安全性的一点科普

2015年06月23日 网络安全 暂无评论 阅读 984 次

GPS的安全性并不是一个新话题。

最著名的例子恐怕要算2011年伊朗劫持美国无人机[1]。2011年12月4日,美国的一架RQ-170无人机,在伊朗领空飞行。伊朗军方并没有击落它,而是使用了某种GPS欺骗的方法使这架飞机乖乖的降落在伊朗东北部的Kashmar。这架完好的无人机为伊朗军方提供了一个极好的研究标本,他们从中获取了不少技术和军事机密。

从那以后,GPS欺骗的研究就越来越火了。

GPS系统的基本原理是怎样的呢?

GPS卫星星座由24颗卫星组成[2]。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上,即每个轨道面上有4颗卫星。卫星的分布经过了巧妙的设计,这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。为什么一定要4颗卫星呢?GPS定位是通过测距来实现的。GPS接收机要测量每颗卫星到它之间的距离,距离等于光速乘以时间,这就构成一个方程式。卫星的位置是已知的,接收机的空间三维位置是未知的,时间也是未知的,所以一共有4个未知数。因此我们需要4个方程,才能解出4个未知数。

那么为什么GPS接收机能够被欺骗?

GPS卫星通过不断的广播信号,告诉接收机,自己在什么位置。这是一个单向的广播信号,而且经过了太空到地面这么远的传播,信号已经变得非常非常弱。此时,如果有一个GPS模拟器,在接收机旁边,假装成卫星,那么这个模拟器的信号很容易盖过真正的GPS信号。就像下面这张图的情况,接收机只能听到那个嗓门大的。

过去做一个GPS模拟器并不是一件容易的事,GPS信号有复杂的格式,发射方法。一个商用级的GPS模拟器售价高达百万元人民币。比较简单的一种方法是“重放攻击”,也就是录制一段GPS信号,然后再播放出来,就像下图的示例。

但是,随着软件无线电技术的不断发展,以及丰富的开源代码不断涌现。现在,攻击者已经可以找到几乎现成的开源代码,配合软件无线电设备,就能够发射GPS信号,任意地点,任意时间,以假乱真!

这会产生哪些后果呢?

美国德克萨斯州立大学奥斯汀分校,Todd Humphreys教授领导的无线导航实验室[3],是GPS安全研究领域,非常领先的一个团队。2012年,Todd Humphreys教授发表了TED演讲[4],呼吁公众注意GPS安全性;2013年,这个团队成功欺骗了一艘游艇,改变了航向[5];2014年,他们又成功欺骗了一架无人机,控制了它的飞行位置[6]。

除了扰乱定位系统以外,GPS欺骗还可以扰乱定时系统,改变通信基站,金融交易系统的授时信息。据说这样的时间差,可以在交易中抢得先机于是从中获利[7]。在军事应用中,这中攻击就会产生更严重的后果。1996年,中国两枚导弹发射失败疑因GPS被美军做手脚[8]。

说到这里,要介绍一下GPS民用信号和军用信号的差别。

GPS卫星在1575.42MHz发射的1.023MHz带宽的信号,是民用信号,对全球开放的,标准是完全公开的[9]。各个芯片厂家可以根据这个标准设计GPS芯片,用在各种电子设备中。

GPS卫星在1227.60MHz发射的10.23MHz带宽的信号,是军用信号。这种信号使用了高强度的加密措施,只有美国军方能够使用。破解不是不可能,只是复杂度很高,也很难实现欺骗攻击。也就是说,除了美国军方以外,其他人都只能使用非常开放的民用GPS信号。

在这里,我们再说回到开头的例子,为什么伊朗能够劫持使用了美国“军用”GPS信号的无人机呢?有专家分析认为[10],伊朗可能是通过压制1227.6MHz的信号,使无人机的定位系统回退到1575.42MHz的民用信号,从而在不加密的民用信号上实现了欺骗。

如今,全球只有四个卫星导航系统:分别是美国GPS系统、欧洲伽利略GALILEO系统、俄罗斯的格洛纳斯GLONASS系统和中国的北斗系统。

目前中国仍然有大量的设备还在使用GPS定位,大到通信基站,船舶飞机,小到手机和各种物联网设备。GPS欺骗攻击的门槛已经变得如此之低,不得不让人担忧这些系统的安全性。在无法改变GPS芯片的情况下,建议开发者们在应用层结合蜂窝网络定位,Wifi定位等各种信息,做一个综合的判断,避免定位定时错误可能带来的后果。

最后,关于低成本GPS欺骗攻击的更多技术细节,360 UnicornTeam将在今年夏天的DEFCON23大会上演讲中详细介绍。

参考文献:

[1]     https://en.wikipedia.org/wiki/Iran%E2%80%93U.S._RQ-170_incident

[2]     http://baike.haosou.com/doc/5348881-5584335.html

[3]     https://radionavlab.ae.utexas.edu/

[4]     http://www.ted.com/talks/todd_humphreys_how_to_fool_a_gps?language=zh-cn

[5]     http://www.digitaltrends.com/mobile/gps-spoofing/

[6]     http://gpsworld.com/drone-hack/

[7]     https://radionavlab.ae.utexas.edu/images/stories/files/papers/summary_financial_sector_implications.pdf

[8]     http://military.china.com/important/11132797/20121231/17609033.html

[9]     http://www.gps.gov/technical/icwg/IS-GPS-200H.pdf

[10]  http://www.wired.com/2011/12/iran-drone-hack-gps/

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