Modern cyber systems are breaking the barriers around them and is rushing to the domain of physical world. This novel type of cyber systems across the two world, or cyber-physical systems inevitably comprises interfaces between the cyber and physical world. Sensors, one of two core components of the cyber-physical interfaces, are essential for cyber-physical systems to comprehend physical world. Although sensors can offer massive benefits, the adverse effect of blindly trusting them has long been underestimated; attackers can compromise the whole system by exposing vulnerable sensors to falsified physical signals. These kinds of threats are called sensor attacks, and have recently been studied by multiple studies.
This thesis comprehensively explores the field of sensor attacks and defenses. It begins with presenting multiple examples of sensor attacks against real systems or sensor modules. These examples experimentally demonstrate how sensors and the systems behind can be compromised by external attackers, which suggests sensor attack is not just a theoretical threat but rather an urgent problem to be resolved. It then discusses the difficulties of devising robust and generalizable defenses against the threat of sensor attacks by introducing research on bypassing formerly proposed sensor defense scheme. Lastly, despite the difficulties, this thesis tries to suggest possible approaches in developing more systematic way of protecting sensors based on the decomposition of each sensor attack into two types of basic factors, the beneficial property available from the sensors' measurand, and the unique fingerprint of physical signal emitters.
현대의 사이버 시스템은 이를 둘러싼 전통적인 경계를 점차 무너뜨리고 자신의 영역을 현실 세계로 확장해 나가고 있다. 사이버 세계와 물리 세계 양측에 걸쳐진 이러한 새로운 형태의 사이버 시스템은 사이버-물리 시스템이라 불리며, 필연적으로 양측 세계를 중계하는 인터페이스를 동반하게 된다. 센서는 액추에이터와 함께 사이버-물리 시스템의 핵심 요소로서 사이버 시스템이 현실 세계를 이해하기 위해 필수적인 장치지만, 이들이 제공할 수 있는 정보의 이점에도 불구하고 제공되는 정보를 검증 없이 신뢰함으로써 야기될 수 있는 부작용은 오랫동안 과소평가 돼 왔다. 구체적으로, 공격자들은 센서 데이터에 대한 시스템의 신뢰를 악용하여 조작된 주변 환경에 대한 정보를 취약한 센서에 노출하는 방법으로 전체 시스템을 장악할 수 있다. 이러한 사이버-물리 시스템에 대한 위협은 센서 공격이라 불리며, 최근의 여러 연구가 그 위험성을 탐구한 바 있다.
본 학위논문에서는 센서 공격과 이에 대한 방어기법에 대해서 종합적으로 탐구하고자 한다. 먼저, 다양한 종류의 시스템에서 활용되는 센서들에 대한 다수의 센서 공격 연구사례를 통하여 센서들과 이를 탑재한 시스템들이 외부의 공격자가 감행한 센서 공격에 의해 어떻게 장악될 수 있는지를 살펴보고자 한다. 다음으로는 기존에 제안된 센서 공격 방어기법을 우회하는 공격기법에 관한 연구를 통해서 센서 공격에 대한 바람직한 방어기법을 고안하는 것의 어려움에 대해 살펴볼 것이다. 마지막으로, 바람직한 센서 방어기법 고안의 어려움에도 불구하고 체계적이고 실용적인 센서 방어를 위해 적용할 수 있을 것으로 여겨지는 세 가지 접근방안에 대해 살펴보고자 한다.
