A cyber-physical system (CPS) is a system that connects the cyber world with the physical world by controlling the physical systems through actuators, based on their state, monitored by sensors. This connection improves the scalability, effectiveness, and reliability of the systems to enable CPSs to be widely applied to logistics, infrastructure, healthcare, and so on. The global positioning system (GPS) is an important system used in many CPSs, and precise location and time information from the GPS is essential for their operation. However, civilian GPS receivers are exposed to GPS spoofing threats that generate counterfeit GPS signals and manipulate location and time information, which can be a severe security threat to CPSs; however, studies have not yet been conducted on the specific effect son CPSs by GPS spoofing attacks. This study explores GPS spoofing vulnerabilities in existing CPSs and investigates a GPS spoofing detection method to mitigate the threats. It begins with the design and implementation of an advanced GPS spoofer for dynamic analysis based on a software-defined radio. Using this spoofer, this study analyzes GPS spoofing vulnerabilities in representative automated vehicles, such as consumer drones, cars that contains advanced driver-assistance systems, and GPS clocks used in infrastructures such as power grids; it further explores the impact of GPS spoofing attacks on these systems. Lastly, to mitigate the GPS spoofing threats of these systems, a new GPS spoofing detection technique was studied, that can be applied to existing CPSs without any hardware modification.
사이버-물리 시스템은 센서를 통해 물리 시스템의 상태를 관찰하고 이를 기반으로 액츄에이터를 통해 이들을 제어하여 실제 세계와 사이버 세계를 이어주는 시스템으로써 향상된 시스템 확장성, 효율성, 신뢰성 덕분에 물류, 기반시설, 헬스케어 등에 널리 적용되고 있다. GPS는 대표적인 사이버-물리 시스템인 무인이동체나 기반시설에서 활용되는 매우 중요한 시스템이며, GPS를 통해 얻은 정밀한 위치 및 시각 정보는 이들의 동작에 필수적이다. 그러나 GPS 수신기는 위조 GPS 신호를 통해 위치 및 시각 정보를 조작하는 GPS 스푸핑 공격에 노출되어 있다. 이러한 공격은 사이버-물리 시스템에 심각한 보안 위협이 될 수 있으나 그럼에도 불 구하고 현존하는 시스템들이 GPS 스푸핑으로 인해 어떤 영향을 받는지에 대한 구체적으로 분석은 이뤄지지 않고 있다. 본 학위논문에서는 기존 사이버-물리 시스템의 GPS 스푸핑 취약점을 분석하고 이를 완화하기 위한 GPS 스푸핑 탐지기법을 탐구하고자 한다. 먼저 동적 분석을 위한 GPS 공격 신호 생성도구를 소프트웨어 정의 무선 장치를 기반으로 설계 및 구현하고 이를 활용하여 중요한 기반시설 중 하나인 전력 계통에서 사용하는 GPS 클럭과 대표적인 무인이동체인 드론과 자율주행차의 GPS 스푸핑 취약점을 분석했으며 더 나아가 GPS 스푸핑 공격을 통해 공격자가 시스템에 어떤 악영향을 초래할 수 있는지 알아보았다. 끝으로 사이버-물리 시스템의 GPS 스푸핑 위협 완화를 위하여 추가적인 하드웨어 설치나 변경 없이 기존 시스템에 적용할 수 있으며 공격 발생 여부를 정확하게 탐지할 수 있는 새로운 GPS 스푸핑 탐지 기법을 탐구하였다.
