[논문]2.4 GHz 무선 키보드/마우스 전자파 신호 분석 및 조작 시스템 구축

김상수; 오승섭; 나인석

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.12.1075

2.4 GHz 무선 키보드/마우스 전자파 신호 분석 및 조작 시스템 구축
Implementation of 2.4 GHz Wireless Keyboard and Mouse Electromagnetic Signal Analysis and Manipulate Systems 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.12, 2016년, pp.1075 - 1083

김상수 (LIG 넥스원 전자전연구센터) , 오승섭 (LIG 넥스원 전자전연구센터) , 나인석 (LIG 넥스원 전자전연구센터)

초록
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최근 높은 편의성과 휴대성을 바탕으로 무선 입력 장비들의 사용이 증가하고 있다. 특히 2.4 GHz 주파수 대역을 사용하는 무선 키보드와 무선 마우스가 가장 많이 사용되고 있지만, 무선 장비의 경우 누설되는 전자파를 제3자가 수신하여 개인정보를 획득하기가 용이하기 때문에, 보안에 대한 취약점 또한 꾸준히 보고되고 있다. 본 논문에서는 2.4 GHz 무선 키보드와 무선 마우스의 취약점을 검증하기 위해 USRP 장비와 GNU 라디오(Radio) 패키지를 사용하여 2.4 GHz 무선 키보드와 무선 마우스의 패킷을 분석하고, 이를 조작하는 시스템을 구현하였다. 구축한 시스템을 이용하여 해당 장비의 통신 프로토콜 및 패킷 구조를 분석하여 장비 고유 주소(Address)와 입력 키 정보를 획득하였고, 임의의 키를 송신하여 원거리에서 사용자 PC를 조작할 수 있다는 것을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nowadays, the use of wireless input devices has been increasing on the basis of high convenience and portability. In particular the most widely used wireless keyboard and the mouse to use the 2.4 GHz frequency band, but due to the third party receives the electromagnetic wave from leaking when the radio equipment it is easy to obtain the personal information and the vulnerability is also being reported consistently. In this paper, implement a system to analyze and manipulate the packets of 2.4 GHz wireless keyboard and mouse using USRP device and GNU Radio package for verify the vulnerability of 2.4 GHz wireless keyboard and mouse. Using the construction system has attained a equipment specific address and key information by analyzing the communication protocol and the packet structure of the device was proved that a user can operate the PC to send the random key from long distance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 2.4 GHz 무선 키보드와 무선 마우스의 누설 전자파 신호를 분석하여 입력 키 정보를 확인하고, 임의의 신호를 송신하여 최대 1.5 km 이격된 거리에서 사용자 PC를 조작할 수 있는 시스템을 구현하였다. 해당 무선 키보드 무선 마우스 장비의 통신 프로토콜을 확인하고, 패킷 구조를 분석하여 장비 고유의 주소와 입력 키 정보를 획득하였고, 임의의 키를 송신하여 사용자 PC를 조작하였다.
본 논문에서는 기존 보고된 연구들의 내용을 검증하기 위해 무선 입력장치 중 가장 보편적으로 사용되는 2.4 GHz 무선 키보드와 무선 마우스의 전자파 신호를 분석하여 입력되는 정보를 확인하고, 임의의 신호를 송신하여 상대방 PC를 조작할 수 있는 시스템을 구현하였다.
본 장에서는 Ⅱ～Ⅲ장을 바탕으로 구축한 무선 키보드와 무선 마우스의 분석 및 조작 시스템의 성능에 대해 소개한다. 분석 및 조작 시스템 구성도는 그림 18과 같다.
0 프로젝트가 있다. 이 프로젝트에서는 Microsoft 사의 2.4 GHz 무선 키보드에 대한 보안 취약점에 대해 보고하였다. 무선 키보드의 통신 패킷 구조 분석을 위해 Amiccom A7125 모듈을 이용하여 무선 키보드의 유효한 신호를 수신한 후, 패킷 구조를 분석하였다.

제안 방법

GFSK 변조 기능은 GNU Radio Companion S/W에서 제공하는 “GMSK Mod” 블록을 이용하여 구현하였다.
GFSK 복조 기능은 GNU Radio S/W에서 제공하는 “GMSK Demod” 블록을 이용하여 구현하였다.
1단계에서는 조작 대상 무선 키보드와 무선 마우스의 통신 주소를 확인한다. Ⅱ장의 분석 과정을 통해 파악한 각 장비들의 주소를 파일명으로 저장하여 각 무선 키보드를 구분한다.
최근에 발표된 MouseJack 프로젝트에서는 AES 암호화 무선 키보드도 조작할 수 있는 시스템을 구현하였다. 무선 마우스가 암호화되지 않은 약점을 이용하여 무선 마우스의 통신 패킷을 분석하고, 상대방의 USB 동글 수신기와 공격자의 송신모듈을 강제 동기화시킴으로써 원하는 키를 입력하여 조작할 수 있는 시스템을 구현하였다^[5].
패킷 제어 필드, CRC를 구성하여 패킷을 완성하고, 키 입력, 키 정지, 키 해제 각 패킷 사이에 적절한 지연시간을 추가하여 수신부에서 인식될 수 있도록 구현하였다. 무선 마우스는 좌클릭, 우클릭 패킷을 구성하여 각각 송신할 수 있도록 구현하였다.
4 GHz 무선 키보드에 대한 보안 취약점에 대해 보고하였다. 무선 키보드의 통신 패킷 구조 분석을 위해 Amiccom A7125 모듈을 이용하여 무선 키보드의 유효한 신호를 수신한 후, 패킷 구조를 분석하였다. 무선 키보드의 페이로드 암호화 방식을 분석하고, 해당 장비의 주소 값을 획득 하여 입력된 키를 분석할 수 있다는 것을 발표하였다^[2].
수신 장비는 USRP N200과 송수신 모듈(UBX-40) 및 수신 안테나(ANT2400Y12-WR)로 구성하였고, GNU Radio S/W에서 제공하는 “WX GUI FFT Sink” 블록으로 해당 결과를 도시하였다.
앞에서 재구성한 송신 패킷 구조를 바탕으로 조작 소프트웨어를 구현하였다. 조작 대상 장비의 주소 값과 통신 주파수를 설정하여 송신하면, 다중 환경에서도 원하는 정보를 각 해당 장비로 전송하여 조작할 수 있다.
운용자 PC에서 사용 중인 무선 키보드의 누설 신호를 안테나를 통해 측정하고, 신호 분석기와 운용 컴퓨터를 이용하여 해당 장비의 주소값과 주파수 채널을 분석한다. 운용 컴퓨터와 조작신호 발생기를 이용하여 분석한 정보로 송신 패킷을 재구성하고, 안테나로 RF 신호를 송신하여 운용자 PC를 조작한다. 실제 구축한 분석 및 조작 시스템은 그림 19와 같다.
운용자 PC에서 사용 중인 무선 키보드의 누설 신호를 안테나를 통해 측정하고, 신호 분석기와 운용 컴퓨터를 이용하여 해당 장비의 주소값과 주파수 채널을 분석한다. 운용 컴퓨터와 조작신호 발생기를 이용하여 분석한 정보로 송신 패킷을 재구성하고, 안테나로 RF 신호를 송신하여 운용자 PC를 조작한다.
이를 이용하여 상대방 PC 내 임의의 폴더와 내부 파일을 삭제해 보았다. “실행” 창 단축키(Windows+r)를 입력하고, ‘cmd’를 입력하여 관리자 창을 실행한다.
이를 참고하여 무선 키보드의 영소문자 ‘a’를 입력했을때, 실제 장비에서 누설되는 신호를 측정하여 페이로드를 분석해 보았다.
해당 조작 키의 HID 코드 정보를 데이터 영역에 배치하고, 주소값과 XOR하여 암호화된 페이로드 및 검사합 값을 생성한다. 패킷 제어 필드, CRC를 구성하여 패킷을 완성하고, 키 입력, 키 정지, 키 해제 각 패킷 사이에 적절한 지연시간을 추가하여 수신부에서 인식될 수 있도록 구현하였다. 무선 마우스는 좌클릭, 우클릭 패킷을 구성하여 각각 송신할 수 있도록 구현하였다.
5 km 이격된 거리에서 사용자 PC를 조작할 수 있는 시스템을 구현하였다. 해당 무선 키보드 무선 마우스 장비의 통신 프로토콜을 확인하고, 패킷 구조를 분석하여 장비 고유의 주소와 입력 키 정보를 획득하였고, 임의의 키를 송신하여 사용자 PC를 조작하였다. 이를 통하여 무선 키보드 및 무선 마우스를 사용하는 경우, 사용자가 입력하는 키 정보가 제 3자에 의해 스니핑(sniffing)될 수 있고, 또한 공격자에 의해 사용자 PC가 조작될 수 있는 위협이 존재하는 것을 확인하였다.
해당 시스템은 소프트웨어 라디오 범용 하드웨어인 USRP N200 장비와 오픈 소스 소프트웨어 라디오 개발 툴킷인 GNU Radio 패키지를 사용하여 구현하였다.

대상 데이터

해당 장치의 통신 정보는 장치 뒷면에 있는 FCC ID(미국연방통신위원회 인증 고유 번호)를 통해 확인할 수 있다^[10]. 시험 대상 무선 키보드와 무선 마우스는 2,403～2,480 MHz의 주파수 대역을 2 MHz의 대역폭으로 사용하고, GFSK 변조 기법을 사용하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각 장치별로 24개의 주파수 채널을 4개씩 묶어 총 6개의 부분집합이 사용되는 것을 확인하였다.

데이터처리

앞에서 분석한 패킷 구조를 바탕으로 GNU Radio Companion 개발 툴을 이용하여 분석 소프트웨어를 구현하였다. 분석 대상 장비의 주소 값을 획득하면 무선 키보드의 입력 키 값과 무선 마우스의 클릭 여부를 실시간으로 확인할 수 있고, 다중 환경에서도 원하는 장비의 입력키를 구분해서 확인할 수 있다.

성능/효과

분석 대상 장비의 주소 값을 획득하면 무선 키보드의 입력 키 값과 무선 마우스의 클릭 여부를 실시간으로 확인할 수 있고, 다중 환경에서도 원하는 장비의 입력키를 구분해서 확인할 수 있다. 구현한 시스템으로 무선 키보드 입력 키 분석 시 최대 7 m 이격된 거리에서 95 % 이상의 인식률을 검증할 수 있었다.
무선 키보드의 누설 전자파를 분석한 결과, 주소는 5 바이트로 구성되고, 마지막 바이트 값은 항상 “0xCD”임을 확인하였다.
무선 키보드의 송신 안테나 이득은 —2.03 dBi이고, 수신부의 안테나 이득은 —2.19 dBi 이므로, 송수신 칩의 최대 출력인 0 dBm으로 송신 시, 수신부에 입력되는 신호세기는 약 —74.09 dBm로 기타 손실이 약 7 dB 발생한 것으로 가정 하면 수신기 수신감도인 —82 dBm를 만족함을 알 수 있다.
무선 키보드의 통신 패킷 구조 분석을 위해 Amiccom A7125 모듈을 이용하여 무선 키보드의 유효한 신호를 수신한 후, 패킷 구조를 분석하였다. 무선 키보드의 페이로드 암호화 방식을 분석하고, 해당 장비의 주소 값을 획득 하여 입력된 키를 분석할 수 있다는 것을 발표하였다^[2].
분석 결과, 무선 마우스의 페이로드는 데이터 영역이 11 바이트로 이루어져 있고, 2번째 값이 “0x01”일 경우 좌 클릭, “0x02”일 경우 우 클릭이 실행된 것을 알 수 있다.
앞에서 분석한 패킷 구조를 바탕으로 GNU Radio Companion 개발 툴을 이용하여 분석 소프트웨어를 구현하였다. 분석 대상 장비의 주소 값을 획득하면 무선 키보드의 입력 키 값과 무선 마우스의 클릭 여부를 실시간으로 확인할 수 있고, 다중 환경에서도 원하는 장비의 입력키를 구분해서 확인할 수 있다. 구현한 시스템으로 무선 키보드 입력 키 분석 시 최대 7 m 이격된 거리에서 95 % 이상의 인식률을 검증할 수 있었다.
구축한 시스템의 분석 및 조작 성능을 측정해 본 결과는 다음과 같다. 분석 성능은 약 8 m 이격된 거리에서 100개 문자 입력 시 100 % 분석되는 것을 확인하였고, 조작 성능의 경우 약 30 m 이격된 독립된 방에서도 100개의 문자가 100 % 조작되는 것을 시험을 통해 확인하였다.
이를 이용하여 본 연구에서 구현한 시스템의 최대 조작 가능 거리를 계산해 보면, 1.5 km 이격 시 수신부에 입력되는 신호세기가 약 —81.04 dBm으로 방해물이 없는 야외일 경우, 약 1.5 km 이격된 거리에서도 조작이 가능할 것으로 판단된다.
해당 무선 키보드 무선 마우스 장비의 통신 프로토콜을 확인하고, 패킷 구조를 분석하여 장비 고유의 주소와 입력 키 정보를 획득하였고, 임의의 키를 송신하여 사용자 PC를 조작하였다. 이를 통하여 무선 키보드 및 무선 마우스를 사용하는 경우, 사용자가 입력하는 키 정보가 제 3자에 의해 스니핑(sniffing)될 수 있고, 또한 공격자에 의해 사용자 PC가 조작될 수 있는 위협이 존재하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 일반 무선 키보드와 무선 마우스의 경우 보안에 취약한 것을 검증하였으므로 보안을 위해 유선 입력 장치 또는 블루투스 무선 키보드를 사용할 것을 권장한다.
0 프로젝트를 통해 Microsoft사 무선 키보드의 페이로드가 그림 8과 같이 암호화 되어있는 것을 확인하였다. 전체 페이로드 중 시퀀스 아이디 영역에서 데이터 영역까지 11 바이트값이 패킷의 주소 값과 각각 XOR을 취해 암호화되어 있는 것을 확인하였다^[2].
수신 장비는 USRP N200과 송수신 모듈(UBX-40) 및 수신 안테나(ANT2400Y12-WR)로 구성하였고, GNU Radio S/W에서 제공하는 “WX GUI FFT Sink” 블록으로 해당 결과를 도시하였다. 확인 결과, 해당 장비는 2,480 MHz 채널을 사용하는 Subset B 장비인 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이를 통하여 무선 키보드 및 무선 마우스를 사용하는 경우, 사용자가 입력하는 키 정보가 제 3자에 의해 스니핑(sniffing)될 수 있고, 또한 공격자에 의해 사용자 PC가 조작될 수 있는 위협이 존재하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 일반 무선 키보드와 무선 마우스의 경우 보안에 취약한 것을 검증하였으므로 보안을 위해 유선 입력 장치 또는 블루투스 무선 키보드를 사용할 것을 권장한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 통신을 이용한 기기의 문제점은 무엇인가?	하지만 최근에는 편의성과 휴대성을 바탕으로 무선 통신 기술이 발전되어 개인용 컴퓨터를 비롯한 태블릿 PC, 휴대폰 및 IPTV 등과 같은 다양한 매체에서 무선 키보드와 무선 마우스가 활발하게 사용되고 있다. 하지만 무선 통신의 경우, 장비에서 누설되는 전자파를 제3자가 수신하여 개인정보를 유출할 가능성이 있기 때문에 이에 대한 취약점에 대한 문제가 꾸준히 제기되고 있다.
	KeySweeper에서 새로이 발표한 아두이노 보드와 GSM 통신이 가능한 모듈을 이용한 장비의 장단점은 무엇인가?	4 GHz 무선 키보드의 송수신 모듈인 Nordic 사의 nRF24L01+칩(chip)과 GSM 통신이 가능한 Adafruit FONA 칩(chip)을 사용하여 무선 키보드 신호를 수신한 후, SMS로 키 정보를 전송할 수 있는 장비이다. 해당 장비가 PC와 연결되어 있지 않아도 상용 전원과 배터리 전원을 이용하여 무선 키보드의 정보를 수신할 수 있어, 원거리에서도 장시간 사용 가능한 장점이 있다. 하지만 아두이노 보드의 메모리 용량 제한으로 무선 키보드 분석만 가능하다는 단점이 존재한다[4].
	과거 개인용 PC의 입력장치에서 주로 사용된 장치는?	과거 개인용 PC의 입력장치는 PS/2 키보드와 USB 키보드 등의 유선 장치가 주로 사용되었다. 하지만 최근에는 편의성과 휴대성을 바탕으로 무선 통신 기술이 발전되어 개인용 컴퓨터를 비롯한 태블릿 PC, 휴대폰 및 IPTV 등과 같은 다양한 매체에서 무선 키보드와 무선 마우스가 활발하게 사용되고 있다.

참고문헌 (12)

M, Fahnle, M, Hauff, "Analysis of unencrypted and encrypted wireless keyboard transmission implemented in GNU radio based software-defined radio", Hochschule Ulm, University of Applied Sciences Institute of Communication Technology, 2011.
Schroeder, Moser, "Practical exploitation of modern wireless devices", CanSecWest, Mar. http://www.remote-exploit.org/content/keykeriki_v2_cansec_v1.1.pdf
Travis Goodspeed, "Promiscuity is the nRF24L01+'s Duty", Feb. 2011, http://travisgoodspeed.blogspot.com/2011/02/promiscuity-is-nrf24l01s-duty.html
Samy Kamkar, "KeySweeper", 2015, http://samy.pl/keysweeper
Mark Newlin, Bastille, "MouseJack", Feb. 2016, https://www.bastille.net/technical-details
Semiconductor, Nordic, "nRF24L01+ single chip 2.4 GHz transceiver product specification", Jul. 2007, http://www.nordicsemi.com/eng/Products/2.4GHz-RF/nRF24L01P
Ettus USRP N200 Web page (https://www.ettus.com/product/details/UN200-KIT)
GNU Radio Web page (http://gnuradio.org/redmine/projects/gnuradio/wiki)
박대현, 김영식, "USRP와 GNU Radio를 이용한 IEEE 802.15.4 물리 계층 소프트웨어 라디오 시스템 구현", 한국전자파학회논문지 21(11), pp. 1214-1219, 2010년 11월.

원문보기 상세보기
FCC ID Application Database Web page (https://fccid.io)
김상수, 오승섭, 정창민, "GNURadio를 이용한 2.4 GHz 무선키보드 전자파 신호 분석", 2016 한국군사과학기술학회 종합학술대회, p. 208, 2016년 6월.
곽경훈, 신봉득, 박동욱, 어윤성, 오혁준, "USRP RIO SDR을 이용한 5G 밀리터리파 LTE-TDD HD 비디오 스트리밍 시스템 설계 및 구현", 한국전자파학회논문지, 27(5), pp. 445-453, 2016년 5월.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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