プリンストン大学とMIT、空中ドローンで水中音波の解析に成功。水中通信が傍受される可能性を示す

プリンストン大学とマサチューセッツ工科大学（以下：MIT）の研究者たちが、水中通信が空中から傍受される可能性を示し、水中通信の安全性に関する長年の仮定を覆した。

このチームは、レーダーを使用して水中の音響信号（ソナー）を傍受する装置を開発。これらの信号が水面に引き起こす微小な振動を解析して信号を解読するという手法だ。この技術は、原理的には水中送信機の位置を大まかに特定することも可能だという。

研究者たちは11月20日に開催されたACM MobiComでこの新しい傍受技術を論文で発表し、それによって引き起こされる攻撃を防ぐ方法も提案した。この技術はプリンストン大学にある小さな人工湖「カーネギー湖」で実証されたが、広大な海洋での応用にはさらなる工学的改良が必要だと述べている。

研究者たちは、この研究の目的が水中通信の脆弱性を指摘するだけでなく、傍受を防ぐための方法を提示することにあると語った。

水面振動を捉える装置の実験

2018年、MITの研究者が初めて水中と空中のデバイス間でメッセージを伝達するシステムを開発するまで、この種の通信は技術的に不可能と考えられていた。しかし、このMITの技術は、送信側と受信側が事前にデータ速度、周波数、その他の重要な技術情報を共有する協力関係を前提としていた。そのため、非協力的な水中送信機からのプライベートメッセージを傍受できるかどうかは不明だった。

MITグループと協力し、ガセンプール氏とプリンストンチームは、この技術のセキュリティ上の影響を調査し、それらの技術的詳細を知らなくても同様のメッセージを解読できる方法を開発した。

水中通信傍受のリスク

研究者たちは、空中から水中通信を傍受する能力が多くのセキュリティリスクを引き起こすと指摘。気候監視センサー、石油・ガスプラットフォーム、さらには潜水艦が送信する機密情報を敵対者が傍受する可能性があるという。

また、同じく筆頭著者でMIT大学院生のサイード・サード・アフザル氏も研究に参加した。

水中通信の保護方法

研究者によれば、水中通信のセキュリティは、水中で伝わる音が水面を越えて伝わらないという性質に大きく依存している。情報を伝える信号は音波として水中で送信されるが、水と空気の密度が大きく異なるため、水面が音のバリアとして機能する。水中の音波が水面に到達すると、ほとんどが跳ね返されてしまう。

2018年、MITのグループは、音波が水面に与える影響が、水中信号に対応する微小な振動の「指紋」を残すことを発見。ドローンに搭載したレーダーを使用してこの振動を読み取り、アルゴリズムでパターンを検出し、信号を解読してメッセージを抽出した。

ただし、MITチームのシステムは、事前に送信の周波数や変調方式など特定の物理的パラメータを知る必要があった。

プリンストンの新しい技術

プリンストンチームは、同様の方法で水面の振動を検出する一方、レーダーとソナーの違いを利用して物理パラメータを特定する新しいアルゴリズムを開発。この方法により、水中送信機の協力を得なくてもメッセージを解読できるようになった。

実験の詳細

研究者たちは安価な市販のドローンとレーダーを使い、プールでこの方法をテスト。水中にスピーカーを設置し、泳ぐ人々が干渉を与える中、ドローンを水面上で飛行させた。ドローンは繰り返し短いレーダー信号を水面に送信。その反射信号が水面の振動パターンを明らかにし、システムがそれを検出・解読した。

また、プリンストンのカーネギー湖で、ブームに取り付けたレーダーを用いて現実世界での環境下でもテストを実施。風や波による干渉があっても、システムは未知のパラメータを特定し、スピーカーからのメッセージを解読できた。特に、最も重要なパラメータの一つである変調方式を97.58%の精度で判別できた。

対策と今後の展望

水中通信リンクの設計パラメータが、この種の攻撃に対する脆弱性に大きく影響することが判明した。一部の変調方式は他の方式よりも解析が容易だという。この論文では、傍受に強い送信機を設計するための推奨事項を提供。ガセンプール氏は、これらの攻撃に対する保護方法をさらに詳しく提供することを目指していると述べた。

▶︎プリンストン大学

▶︎マサチューセッツ工科大学