diff --git a/source/_posts/dolphin-attack-practice.md b/source/_posts/dolphin-attack-practice.md new file mode 100644 index 00000000..d203f5f4 --- /dev/null +++ b/source/_posts/dolphin-attack-practice.md @@ -0,0 +1,109 @@ +--- +title: Dolphin Attack 论文复现 +date: 2021-01-08 12:54:41 +tags: +- 硬件攻击 +- 传感器 +- 语音助手 +categories: +- 顶会论文 +--- + +# 海豚音攻击-复现 +文章中提到两种方案,一是具有信号发生器的强大变送器,二是带有智能手机的便携式变送器;前一种方案成本过于高,本文不做分析,后一种方案的实现成本在我们可接收的范围。 +但原文中对后一方案的实现没有太多介绍,于是我通过邮件咨询了作者-闫琛博士,闫博士非常友好,我是在晚上十点发送的第一封邮件,差不多在十分钟内通过几封邮件的交流,解决了我的问题,很快确定了我的具体实现路径,非常感谢大佬! +* Q: 使用便携式设备攻击的时候,三星Galaxy S6 Edge发送的高频声音信号是怎么生成的呢?是预先使用专业设备调制好的信号保存为mp3吗? +* A: 通过软件调制,生成.wav的超声波音频文件,再通过三星手机播放的。 +* Q: 用的是什么软件进行调制? +* A: 用过matlab和python,都是可以的 + +## 0x01 语音命令生成 + +https://ttstool.com/ +微软的TTS接口生成的是mp3格式音频,一般来说我们使用python处理音频都是针对wav格式。 +https://www.aconvert.com/cn/audio/mp3-to-wav/ +我们可以通过这个网站对格式做转换。 +[xiaoyi.wav](https://coolyim.quip.com/-/blob/OVVAAAmjZcr/Eq9qXdQ7_eD5KQaR33wCCw?name=xiaoyi.wav) +这个网站的采样率最高只能达到96000hz +[6wxmu-crusr.wav](https://coolyim.quip.com/-/blob/OVVAAAmjZcr/aZfltfEV_ZxV1LCGznB1OA?name=6wxmu-crusr.wav) + +## 0x02 语音命令调制 + +生成语音命令的基带信号后,我们需要在超声载波上对其进行调制,以使它们听不到。 为了利用麦克风的非线性,DolphinAttack必须利用幅度调制(AM)。 +### AM调制原理 +使载波的振幅按照所需传送信号的变化规律而变化,但频率保持不变的调制方法。调幅在有线电或无线电通信和广播中应用甚广。调幅是高频载波的振幅随信号改变的调制(AM)。其中,载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变换而变化。例如,0或1分别对应于无载波或有载波输出,电视的图像信号使用调幅。调频的抗干扰能力强,失真小,但服务半径小。 +假设载波uc(t)和调制信号的频率分别为ωc和Ω,在已调波中包含三个频率成分:ωc、ωc+Ω和ωc-Ω。ωc+Ω称为上边频,ωc-Ω称为下边频。 + +https://epxx.co/artigos/ammodulation.html +http://www.chenjianqu.com/show-44.html +https://zhuanlan.zhihu.com/p/54561504 +http://www.mwhitelab.com/archives/208 + + +### 使用python调制 + +现在我们已经有了基带信号,使用[Audacity](https://www.fosshub.com/Audacity.html)对其进行频谱分析,此语音的带宽或频谱(左图为采样频率48khz音频,右图为96khz) : +![](https://res.cloudinary.com/dozyfkbg3/image/upload/v1610082052/Dolphin%20Attack/08_YW7UW_PS_TOE_LZZY.png) +![](https://res.cloudinary.com/dozyfkbg3/image/upload/v1610082052/Dolphin%20Attack/WGD_U453KYP3M3_2639_5I.png) + +我们可以看到带宽为8000-9000hz左右,这是女声,因此频带范围较宽。这可能导致可听范围内的频率泄露,但这里我们先不去讨论,之后再使用带宽较小的语音以创建基带语音信号。 +wave包最多能读取的wav音频采样率为[48khz](https://github.com/jiaaro/pydub/issues/134),当超过这个值时,wave就不再支持(wave.Error: unknown format: 65534)。但我们的载波频率为30khz左右,这就要求音频文件的采样率高于60khz才能保证不失真。所幸[`scipy.io.wavfile`](https://kite.com/python/docs/scipy.io.wavfile)支持高于48khz的wav文件读取。 +使用以下Python程序来生成调制的AM和AM-SC音频,AM是广播无线电调制的“正常”声音,它加上了载波;AM-SC则只是载波与原始信号的乘积。 + + +```python +# coding=utf-8 +import numpy as np +import matplotlib.pyplot as plt +import os +import wave +import struct +import math +from pydub import AudioSegment +import scipy.io.wavfile + +def main(): + test = scipy.io.wavfile.read("xiaoyi.wav") + nframes = len(test[1]) + waveData = np.fromstring(test[1],dtype=np.short)#将原始字符数据转换为整数 + #音频数据归一化 + maxW = max(abs(waveData)) + waveData = waveData * 1.0/maxW + #将音频信号规整乘每行一路通道信号的格式,即该矩阵一行为一个通道的采样点,共nchannels行 + Tdata = np.reshape(waveData,[nframes,1]).T # .T 表示转置 + am = wave.open("am.wav", "w") + amsc = wave.open("amsc.wav", "w") + carrier = wave.open("carrier3000.wav", "w") + for f in [am,amsc,carrier]: + f.setnchannels(1) + f.setsampwidth(2) + f.setframerate(96000) + for n in range(0, nframes): + carrier_sample = math.cos(30000.0 * (n / 96000.0) * math.pi * 2) + signal_am = signal_amsc= waveData[n] * carrier_sample + signal_am += carrier_sample + signal_am /= 2 + am.writeframes(struct.pack('h', signal_am * maxW)) + amsc.writeframes(struct.pack('h', signal_amsc * maxW)) + carrier.writeframes(struct.pack('h', carrier_sample * maxW)) + + +if __name__=='__main__': + main() +``` + + +分别对am.wav、amsc.wav、carrier3000.wav做频谱分析 +carrier3000.wav的频谱的为集中在载波频率30khz上的一个脉冲[carrier3000.wav](https://coolyim.quip.com/-/blob/OVVAAAmjZcr/9RE4Z0lCs1WACO75zLTAhA?name=carrier3000.wav) +![](https://res.cloudinary.com/dozyfkbg3/image/upload/v1610082051/Dolphin%20Attack/K5447O57_S___A_O_Q3V.png) +amsc.wav的带宽约为18khz,是原来的两倍,关于f=30khz镜面对称。AM调制会创建原始信号的两个“副本”,一个在21-30kHz频段,另一个在30-39kHz。 +![](https://res.cloudinary.com/dozyfkbg3/image/upload/v1610082052/Dolphin%20Attack/OPSXK_21_7R24_I_NIWM0_8.png) + +am.wav,在这种调制中,我们可以听到载波,而在AM-SC中则听不到。频谱类似于AM-SC,但在载波频率上还有一个尖锐的“尖峰”: +![](https://res.cloudinary.com/dozyfkbg3/image/upload/v1610082051/Dolphin%20Attack/G8_K4_ZG__PE2CQ_5_UYY.png) + + +## 0x03 语音命令发送器 +下图是由智能手机驱动的便携式发射器。便携式发射器利用智能手机来发射调制信号。许多设备的最佳载波频率都大于24 kHz, 大多数智能手机无法完成任务。大多数智能手机最多支持48 kHz采样率,所以只能发送载波频率最高为24 kHz的调制窄带信号。需要支持高达192 kHz的采样率的手机,而且扬声器会衰减频率大于20 kHz的信号。为了减轻这个问题,我使用窄带超声换能器作为扬声器,并在超声换能器之前添加了一个放大器,这样有效的攻击范围得以扩展。 + +![](https://res.cloudinary.com/dozyfkbg3/image/upload/v1610082508/Dolphin%20Attack/Snipaste_2021-01-08_13-06-55.png)