劉煒，馮丙文，翁健

（暨南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，廣東 廣州 510632）

小型無人機安全研究綜述

劉煒，馮丙文，翁健

（暨南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，廣東 廣州 510632）

近年來，隨著制造成本的降低和技術(shù)的發(fā)展，小型無人機正逐漸從軍用和高端商用走向大眾消費級市場，并引起了學(xué)界較為廣泛的關(guān)注。小型無人機在給人們生活帶來便利的同時，也面臨日益嚴(yán)峻的安全問題。從小型無人機面臨的安全威脅、利用小型無人機發(fā)起的攻擊以及無人機的認(rèn)證和溯源等方面總結(jié)和分析了國內(nèi)外無人機安全領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并對小型無人機安全的未來發(fā)展趨勢進行了展望。

小型無人機；信息安全；安全威脅；隱私侵犯；認(rèn)證

1　引言

隨著無人機行業(yè)爆炸式的發(fā)展，無人機頻繁地登上各大媒體的頭條，如大疆無人機被央視315晚會曝光存在安全漏洞［1］。在2015年的國際消費類電子產(chǎn)品展覽會（CES，consumer electronics show）上，無人機被認(rèn)為是最吸引人眼球的展品。美國《航空與太空技術(shù)周刊》刊登的分析報告稱，自2014年起，在未來10年，世界無人機市場規(guī)模將達到673億美元。無人機在民事領(lǐng)域上的應(yīng)用也在近年來得到了迅速的發(fā)展，研究機構(gòu)EVTank發(fā)布的《2015年度民用無人機市場研究報告》顯示，2014年全球民用無人機銷量為37.8萬架，到2020年全球無人機年銷售量預(yù)計將達到 433萬架［3］。我國目前已經(jīng)有 300～400家民用無人機企業(yè)［4］。

如圖1所示，無人機系統(tǒng)一般由飛行系統(tǒng)（機體、動力系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、飛機控制系統(tǒng)）、任務(wù)載荷系統(tǒng)（云臺、相機、傳感器、其他）和地面控制系統(tǒng)（無線電控制、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、輔助設(shè)備）3大部分組成。飛機系統(tǒng)和有任務(wù)載荷系統(tǒng)組成了整個飛行器，根據(jù)負(fù)載能力和實現(xiàn)任務(wù)的不同，一個平臺可以搭載多套有效載荷系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜功能。

圖1　無人機系統(tǒng)的組成

按照不同平臺構(gòu)型來分類，無人機主要分為固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機 3大平臺，其他無人機平臺還包括傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛船等。按不同使用領(lǐng)域來劃分，無人機可分為軍用、民用和消費級 3大類，對于無人機的性能要求各有偏重。本文主要關(guān)注小型無人機，小型無人機一般采用多旋翼技術(shù)，是消費級和部分民用用途的首選平臺，可以原地垂直起飛和懸停，操縱簡單、機動性靈活、成本較低［5］。

小型無人機的應(yīng)用場景越來越廣泛，如航拍、監(jiān)控、農(nóng)業(yè)植保、空中無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域均用到了小型無人機。小型無人機在給人們工作和生活帶來便利的同時，也面臨越來越多的安全隱私問題。本文將從小型無人機面臨的安全威脅、利用小型無人機發(fā)起的攻擊以及無人機的認(rèn)證和溯源等方面介紹和探討其現(xiàn)狀和相關(guān)解決方法。

2　無人機面臨的攻擊

目前，對無人機的常見攻擊包括無線信號劫持與干擾、GPS欺騙和針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的攻擊等方面。

2.1無線信號劫持與干擾

由于無線信號是無人機和控制者之間的主要通信方式，對無線信號的攻擊可以直接影響無人機的正常運作，乃至獲得無人機的控制權(quán)。AR.Drone把無人機作為公開的Wi-Fi接入點并開發(fā)21、23等重要端口，Childers［6］和Pleban等［7］利用這些不安全的設(shè)置，成功入侵無人機并取得完全權(quán)限，不僅可以控制無人機的飛行功能，而且可以任意瀏覽、拷貝、篡改無人機上存儲的數(shù)據(jù)。在2015年GeekPwn的開場表演項目中，一架正在空中飛行的大疆精靈3代無人機在幾分鐘內(nèi)被“黑客”利用一系列漏洞成功劫持。“黑客”利用通信所用跳頻序列太短并且在出廠時已經(jīng)固化等弱點，奪得了無人機的控制權(quán)［8］。對無線信號的干擾一般是對控制信號進行干擾，迫使控制信號中斷。在丟失控制信號的情況下，無人機一般會原地降落、返回設(shè)定的航點或者繼續(xù)航行，黑客可以根據(jù)相應(yīng)情況進行攻擊。

針對無線信號的劫持和干擾。Pleban等［7］為了解決 AR.Drone遭受入侵的問題，把地面控制站作為接入點，并使用WAP加密方式來保證信道的安全。在無人機與其他智能設(shè)備交互的應(yīng)用場景中，Won等［9］提出了基于無證書簽密密鑰封裝機制的eCLSC-TKEM通信協(xié)議，它不僅能安全地在無人機和智能設(shè)備之間分享密鑰，減少智能設(shè)備方面的開銷，同時也使無人機機體被敵手捕獲后信息盡可能少地泄露。Birnbaum等［10］構(gòu)造了一個UAV監(jiān)控系統(tǒng)，利用回歸最小二乘方法實時估計機身和控制參數(shù)，利用估計參數(shù)的異常來判斷無人機是否被入侵者控制。Cabaniss等［11］提出了2種可用于移動自組網(wǎng)（mobile ad hoc network）應(yīng)用的安全覆蓋網(wǎng)絡(luò)，其擁有安全傳送消息、防竊聽和消息替換能力，可用于無人機自組網(wǎng)的私密通信。

2.2GPS欺騙

攻擊者通過偽造GPS信號，使無人機的導(dǎo)航系統(tǒng)得出錯誤的位置、高度、速度等信息。文獻［12～14］成功地對多個GPS接收設(shè)備實施了GPS欺騙攻擊。Kerns等［15］從如下幾個方面進行了詳細的探究：1）無人機受偽造 GPS信號欺騙的必要條件；2）GPS欺騙進而控制無人機的可能性；3）GPS信號欺騙對無人機操作的影響。同時考慮了顯性和隱性欺騙策略來躲避目標(biāo) GPS接收器和導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計器的檢測。

針對GPS欺騙的解決方法也被廣泛地研究。需要接收機自主導(dǎo)向天線技術(shù)的方法如文獻［16～18］，不需要特殊天線硬件的接收機自主導(dǎo)向信號處理的技術(shù)如文獻［19～21］。Chowdhary等［22］甚至使用視覺輔助導(dǎo)航系統(tǒng)來對抗GPS欺騙的問題，但通過視覺輔助導(dǎo)航需要提前準(zhǔn)備相應(yīng)的地圖，并且受到環(huán)境限制，比如在黑夜的環(huán)境下就無法使用。

2.3針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的攻擊

無人機通常作為一個節(jié)點和其他無人機或傳感器一起構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點暴露、脆弱、無人監(jiān)管等弱點也可被用于攻擊無人機。在數(shù)據(jù)層面上，無人機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)如果缺乏有效的安全措施，攻擊者就能夠通過捕獲傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析或解密，來獲得無人機收集的大量信息［9］。在網(wǎng)絡(luò)層面上，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的攻擊手段，如拒絕服務(wù)攻擊（DoS，denial of service）、對傳輸消息的攻擊（attacks on information in transit）、女巫攻擊（sybil attack）、黑洞/污水池攻擊（blackhole/sinkhole attack）、Hello泛洪攻擊（Hello flood attack）、蟲洞攻擊（wormhole attack）等［23］都可以應(yīng)用于破壞無人機與其他設(shè)備或無人機群之間的通信。由于無人機傳輸信息容易被監(jiān)聽，且其用于通信的資源有限，攻擊者如果有足夠的處理資源，很容易中斷、攔截、篡改通信數(shù)據(jù)分組，發(fā)動對傳輸消息的攻擊。而針對無人機群，攻擊者可以假冒為多出的節(jié)點發(fā)動女巫攻擊［24］。

針對這些攻擊，可以使用傳感器網(wǎng)絡(luò)加密算法、安全協(xié)議、安全路由等技術(shù)進行抵御。除對稱加密外，一些低開銷的非對稱加密算法，如文獻［25～27］等，也可用于訪問控制等特殊應(yīng)用。而應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全協(xié)議 SPINS［28］也可被用來提供數(shù)據(jù)機密性、雙方數(shù)據(jù)鑒別、數(shù)據(jù)新鮮度等安全需求。安全路由一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究最重要的內(nèi)容，安全路由協(xié)議可以通過多種手段實現(xiàn)，如基于地理位置算法［29，30］、基于多路徑算法［31，32］、分簇安全路由協(xié)議算法［33］、基于密碼算法［32，34］、基于智能算法［35］等。在實際應(yīng)用中需要根據(jù)無人機實際性能和安全級別的平衡選擇合適的協(xié)議。除此之外，密鑰管理、身份認(rèn)證、入侵檢測、信任管理等安全技術(shù)也可應(yīng)用于無人機上，提供必要的安全性。

3　無人機發(fā)動的攻擊、對隱私的侵犯

靈活的機動性使無人機猶如“盜賊”一般可以侵入違禁或者私人的領(lǐng)空，配備的高清攝像頭可能會窺探到別人的隱私［36，37］。2015年，無人機闖入美國白宮成為各大媒體的頭條［38］。文獻［39～41］描述了無人機可能被不法分子應(yīng)用于恐怖主義、毒品走私、非常規(guī)武器（如生化武器）攻擊等。越來越多的人向警察抱怨，無人機帶著攝像頭堂而皇之地飛到家中庭院上方或窗戶附近。無人機成為高科技領(lǐng)域的“偷窺狂”。來自加利福尼亞州和佛羅里達州的一些報道稱，無人機俯沖到海灘和度假村中，拍攝人們穿比基尼或半裸曬太陽浴的畫面，隨后這些視頻被發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上［42］。無人機搭載熱成像攝像頭更是讓這一問題雪上加霜。即便是把無人機用作特定場合的監(jiān)控也存在侵犯隱私的問題，比如停車場、道路、公園等的視頻監(jiān)控，其中的隱私問題也被文獻［43～47］提及。

無人機用作定位和跟蹤的技術(shù)日趨成熟，也會使無人機成為新一代的“跟蹤狂”。Liu等［48］提出了基于等值地圖線的定位方法，并使用小型無人機實際測試對比了其他 5種不同的定位技術(shù)。文獻［49～51］通過攝像頭數(shù)據(jù)計算無人機與目標(biāo)的位移等信息，并自動調(diào)整無人機的姿態(tài)和位置，從而跟蹤目標(biāo)。

當(dāng)無人機成為“盜賊”、“偷窺狂”和“跟蹤狂”時，不同層次的防范、解決方案也被相繼提出。首先，監(jiān)管部門設(shè)定禁飛區(qū)。在發(fā)生無人機闖入白宮事件之后，大疆無人機立刻強制升級固件，禁止大疆無人機在華盛頓的禁飛區(qū)內(nèi)飛行。大疆無人機的禁飛區(qū)可以在其官方網(wǎng)站上查詢［52］，圖2為其在中國北京的禁飛區(qū)。實際上，各國政府的相關(guān)監(jiān)管部門都出臺了相關(guān)監(jiān)管政策并劃定了禁飛區(qū)，美國聯(lián)邦航空局（FAA，F(xiàn)ederal Aviation Administration）推出了無人機禁飛區(qū)標(biāo)識，如圖 3所示。各大無人機廠商不僅要根據(jù)GPS來判定是否闖入禁飛區(qū)，還需要加入圖像識別禁飛標(biāo)志的功能。一個自發(fā)的“No Fly Zone”組織也在嘗試解決無人機侵犯個人隱私的問題。根據(jù)文獻［53］的描述，該組織讓公眾在自己家周圍建立起禁飛區(qū)，防止無人機窺探隱私?！癗o Fly Zone”網(wǎng)站［54］的使用方法非常簡單。用戶只需輸入自己的家庭住址，并提供其他一些基本信息。“No Fly Zone”組織會對用戶提供的信息進行驗證和注冊，進而將GPS坐標(biāo)錄入該組織數(shù)據(jù)庫。然后這個組織會與一些無人機生產(chǎn)商合作，把相關(guān)坐標(biāo)上傳到無人機數(shù)據(jù)里，自動阻止無人機飛越已注冊房屋，這項服務(wù)完全免費。目前，已有多家硬件和軟件公司承諾尊重這些無人機禁飛區(qū)，“No Fly Zone”組織的合作伙伴包括Ghost無人機、億航、Horizon Hobby和PixiePath等?！癗o Fly Zone”組織表示，并不能確保將家庭地址注冊到該網(wǎng)站之后就一定能阻止無人機抵近，因為這項禁令只適用于與該組織有合作協(xié)議的廠商生產(chǎn)的無人機。

圖2　大疆無人機在北京的禁飛區(qū)

圖3　無人機禁飛區(qū)標(biāo)識

其次，在無人機用作公共場合視頻監(jiān)控侵犯隱私的問題上，隱私過濾方法也被廣泛研究。Bonetto等［55］從無人機在的停車場監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)中得出基于典型的無人機監(jiān)控序列，并基于“眾包”的評估方法，在監(jiān)控可用和隱私保護的性能之間取得平衡，最終得到5個隱私保護過濾器。

最后，當(dāng)規(guī)則被打破，攻擊者繞過無人機自身對禁飛區(qū)的限定，比如使用姿態(tài)模式、系統(tǒng)破解、GPS欺騙等，那么就要使用強硬的方法來阻止無人機，比如探測、入侵甚至捕獲來犯的無人機。Mezei等［56］通過無人機的聲音特征來識別無人機的存在。Moses等［57］設(shè)計出了一種輕巧的可以裝配在任意小型無人機上的雷達系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，工作在10.5 GHz頻段的雷達可以探測并鑒別其他無人機。在合法的情況下，第2節(jié)中對無人機的攻擊手段可以轉(zhuǎn)化為防御無人機的手段，如在干擾、獲取無人機的控制權(quán)后，迫使無人機降落到安全地點。全球各大安防公司也加緊對無人機的防御進行研發(fā)。文獻［58］報道了在2016年春晚分會場亮相的天網(wǎng)“低慢小”目標(biāo)攔截系統(tǒng)（簡稱“天網(wǎng)”），該系統(tǒng)是中國航天科工二院206所為應(yīng)對低空、慢速、小目標(biāo)防控這一世界難題而研發(fā)的自主創(chuàng)新產(chǎn)品，該產(chǎn)品能夠?qū)娇漳Ｐ汀恿θ且?、動力傘、風(fēng)箏等低空慢速小型飛行器進行探測、預(yù)警、跟蹤定位與高效攔截。

4　無人機認(rèn)證及溯源

無人機的認(rèn)證、溯源問題以及相關(guān)解決方案如下。1）通信交互的身份認(rèn)證。例如，無人機用作傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集，在傳感器上傳采集數(shù)據(jù)給無人機前，必須確認(rèn)無人機的合法身份。文獻［9］詳細對比了包括該文獻提出的安全通信協(xié)議的功能，如表1所示。Senthil和Ilango［59］提出了一種安全認(rèn)證和完整性校驗技術(shù)。該技術(shù)利用共享密鑰提供身份認(rèn)證，并利用相互認(rèn)證技術(shù)實現(xiàn)收發(fā)雙方共享認(rèn)證密鑰。2）無人機飛入特定區(qū)域的認(rèn)證。例如，個人設(shè)置自己的住處為禁飛區(qū)，然而快遞公司的無人機需要飛入該區(qū)域送貨；軍事區(qū)域只允許自己的無人機進行巡航。目前并沒有很好的安全架構(gòu)對無人機飛入某個區(qū)域進行認(rèn)證。3）事故追責(zé)的溯源。據(jù)文獻［60］報道，在澳大利亞Geraldton Endure Batavia 3項全能比賽上，一架用于記錄賽況的無人機撞向運動員，造成其頭部輕微受傷，需要進行縫針治療。無人機的操作人員表示，引發(fā)此次事故的原因是觀眾偷走了控制器。2015年7 月，大疆生產(chǎn)的“精靈3”無人機墜毀在巴控克什米爾地區(qū)，圍繞此事印度和巴基斯坦兩國互相指責(zé)。在這些事故中，無人機記錄的數(shù)據(jù)能給責(zé)任的鑒定提供重要的幫助。

表1　不同通信協(xié)議的安全功能對比

當(dāng)無人機拍攝的隱私視頻泄露到網(wǎng)上，為了追查拍攝的無人機也需要對無人機包括攝像頭在內(nèi)的物理配件特征進行鑒定。攝像頭拍攝的照片、視頻的噪聲包含了該設(shè)備大量的指紋信息，這是因為攝像頭處理信號時，有許多因素會導(dǎo)致噪聲，如傳感器有壞點形成的固定模式噪聲（FPN），但更為普遍的來源是光電響應(yīng)非均勻特性（PRNU）。如果把圖片、視頻的噪音看成攝像頭的水印，那么可以從這些水印來辨別相應(yīng)的攝像頭。Lukas等［64］首次利用模式噪聲提出了圖像的攝像頭來源鑒別方法。在這個基礎(chǔ)上，研究人員對特征的提?。?5］、特征在大規(guī)模照片檢測情況下的有效性［66，67］、特征信息的高效使用［68，69］等方面進行了改進。鑒定圖像、視頻來源的技術(shù)可以配合無人機飛行數(shù)據(jù)，從而得出更準(zhǔn)確的判斷。

5　結(jié)束語

隨著制造成本的降低和技術(shù)發(fā)展和成熟，小型無人機正逐步走向大眾消費級市場。小型無人機在給人們生活帶來便利的同時，也面臨日益嚴(yán)峻的安全問題。本文從小型無人機面臨的安全威脅、利用小型無人機發(fā)起的攻擊以及無人機的認(rèn)證和溯源等方面總結(jié)和分析了國內(nèi)外無人機安全領(lǐng)域的研究進展?；趯δ壳把芯楷F(xiàn)狀的總結(jié)和分析，認(rèn)為小型無人機未來安全發(fā)展趨勢主要有如下特點。

1）基于無人機自身的特點存在的安全問題。例如，無人機的操控和巡航需要無線信號的操控以及GPS信號的導(dǎo)航，對無線信號的干擾、入侵、GPS欺騙等攻防的研究將會不斷深入。

2）無人機與應(yīng)用結(jié)合存在的安全問題。如使用高清攝像頭、甚至熱成像攝像頭的無人機航拍侵犯隱私的問題；無人機作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集點，需要安全協(xié)議在和傳感器交互的過程中確保身份的認(rèn)證、數(shù)據(jù)的安全傳輸?shù)裙δ艿膯栴}；無人機自組網(wǎng)或者作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的安全問題。

3）政策、法規(guī)監(jiān)管盲區(qū)所存在的安全問題。如對非法無人機的探測、攻擊、捕獲的問題；無人機事故追責(zé)、泄露隱私數(shù)據(jù)，需要獲取電子證據(jù)進行鑒定的問題。

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Survey on research of mini-drones security

LIU Wei，F(xiàn)ENG Bing-wen，WENG Jian

（College of Information Science and Technology，Jinan University，Guangzhou 510632，China）

With the decreasing of the manufacturing cost and the development of technology，mini-drones are spreading from military and high-end commercial areas to civilian and consumer areas，and they have attracted great interests in recent years. On the one hand，mini-drones bring convenient，and on the other hand，they face with serious security problems. The research status of mini-drones，including the security threats of mini drones，the security attacks from mini drones，the authentication and traceability of mini drones，etc were introduced and analyzed. Finally，the future development of security research in mini-drones was also prospected.

mini-drone，information security，security threat，privacy invasion，certification

TP391

A

10.11959/j.issn.2096-109x.2016.00037

2016-02-17；

2016-03-01。通信作者：翁健，cryptjweng@gmail.com

國家自然科學(xué)面上基金資助項目（No.61272413，No.61472165）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金博導(dǎo)類基金資助項目（No.20134401110011）

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China（No.61272413，No.61472165），The Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China（No.20134401110011）

劉煒（1985-），男，廣西南寧人，暨南大學(xué)博士生，主要研究方向為無人機安全、密碼學(xué)。

馮丙文（1985-），男，四川蓬溪人，暨南大學(xué)博士生，主要研究方向為信息隱藏、多媒體安全。

翁?。?976-），男，廣東茂名人，暨南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為密碼學(xué)與信息安全。