摘要：跨介质窃听技术挑战了人们对水下通信安全性的长期假设。普林斯顿大学和麻省理工学院的研究人员开发出一种从空中拦截水下通信的方法，挑战了人们对水下传输安全性的长期看法。
跨介质窃听技术挑战了人们对水下通信安全性的长期假设。普林斯顿大学和麻省理工学院的研究人员开发出一种从空中拦截水下通信的方法，挑战了人们对水下传输安全性的长期看法。
普林斯顿大学和麻省理工学院的研究人员开发出一种利用雷达从空中拦截水下信息的方法，推翻了长期以来人们对水下传输安全性的假设。图片来源：普林斯顿大学/工程通信办公室
该团队发明了一种利用雷达窃听水下声波信号（声纳）的设备，通过解码这些信号在水面上产生的微小振动来窃听水下声波信号。研究人员表示，原则上，该技术还可以粗略地确定水下发射器的位置。
在 11 月 20 日于 ACM MobiCom 上发表的一篇论文中，该团队描述了这项技术并提出了防御新式窃听的策略。他们在普林斯顿的一座小型人工湖卡内基湖上成功演示了该系统。虽然在公海中应用这种方法面临更大的挑战，但研究人员相信，通过重大的工程进步，它是可以实现的。
研究人员表示，他们的目的不仅是提醒人们注意水下传输的脆弱性，而且还要详细介绍可用于防止拦截的方法。
“我希望我们提出的一些对策策略能够被设计水下通信声学发射器的人采纳，”电气与计算机工程助理教授兼该研究的首席研究员 Yasaman Ghasempour 说。
在 2018 年麻省理工学院的研究人员开发出一种系统之前，水下和空中设备之间的信息传输一直被认为是技术上不可行。但麻省理工学院的技术依赖于空中和海上各方的合作——提前共享数据速率、频率和其他关键技术细节。当时，尚不清楚这种技术是否可用于拦截非合作水下发射器的私人信息。
研究人员在普林斯顿的卡内基湖仅使用现成的商用设备测试了他们的窃听系统，证明该系统在现实环境中有效。图片来源：普林斯顿大学/Poorya Mollahosseini
与麻省理工学院的研究小组合作，Ghasempour 和她的普林斯顿团队探索了该技术的安全隐患，并开发了一种无需了解任何技术细节即可破译同类信息的方法。
研究人员表示，从空中拦截水下通信的能力会带来一系列安全风险。他们表示，对手可能会利用该技术拦截气候监测传感器、石油和天然气钻井平台甚至潜艇传输的敏感信息。
普林斯顿大学研究生 Poorya Mollahosseini 表示：“这项研究表明，敏感信息可能以以前未曾考虑过的方式泄露。”他与麻省理工学院研究生 Sayed Saad Afzal 共同担任该论文的主要作者。
研究人员表示，水下通信的安全性在很大程度上取决于声音在水下传播时无法穿透水面。携带信息的信号以声波的形式在水下传输。由于水和空气的密度差别很大，水面充当了声音的屏障。当水下声波撞击水面时，它们大多会反弹。
2018 年，麻省理工学院的研究小组意识到声波对水面的影响会留下与水下信号相对应的微小振动的指纹。该团队使用安装在无人机上的雷达读取表面振动，并部署算法来检测模式、解码信号并提取信息。
麻省理工学院媒体艺术与科学副教授、新论文合著者 Fadel Adib 表示：“水对空通信是我们领域中最困难的长期问题之一。我们的方法成功解码了水下信息，这些信息来自水下信息在水面上引起的微小振动，这令人兴奋且惊讶。”
但为了使该技术发挥作用，麻省理工学院团队的系统需要事先了解某些物理参数，例如传输频率和调制类型。
在此基础上，普林斯顿大学的团队使用了类似的方法来检测表面振动，但开发了新的算法，利用雷达和声纳之间的差异来发现这些物理参数。这使得研究人员无需水下发射器的配合即可解码信息。
研究人员使用廉价的商用无人机和雷达在游泳池中测试了他们的方法。研究人员在水下部署了一个扬声器，当游泳者提供干扰时，无人机在水面上飞行。无人机反复向水面发出简短的雷达啁啾声。当雷达信号从水面反射时，它们揭示了声波的振动模式，供系统检测和解码。
研究人员还在普林斯顿卡内基湖的真实环境中使用了安装在吊杆上的雷达进行测试。他们发现，即使受到风和海浪的干扰，该系统也能找出未知参数并解码来自扬声器的信息。事实上，它可以确定调制类型，这是最重要的参数之一，准确率高达 97.58% 。
“我们想证明，这可以用现成的基本设备来实现，”Ghasempour 说。“想象一下，如果使用更先进的雷达，人们能做什么。”
他们发现，水下通信链路的设计参数对其受到此类攻击的敏感性影响很大。例如，某些类型的调制比其他类型的调制更容易被弄清楚。该论文就如何设计更能抵御窃听的发射器提出了建议。Ghasempour 表示，她希望后续能提供更多建议，以了解如何防范此类攻击。
这篇题为“SURF：从空中窃听水下通信”的文章于 11 月 20 日在华盛顿特区的 ACM MobiCom 上发表，该项研究的部分资助由美国国家科学基金会、海军研究办公室和普林斯顿大学的 X 项目创新基金提供。
编译自/ScitechDaily
来源：cnBeta
