小心被你敲鍵盤的聲音出賣

郭文玲

主要講解一些關(guān)于keytap工具的技術(shù)細節(jié)，也分享一些自己的幾點想法。

描述

該工具的主要目標是利用敲擊鍵盤時產(chǎn)生的聲音作為一種邊信道攻擊來猜測輸入文本的內(nèi)容。為了達到這個目標，該算法以訓練集作為輸入，這個訓練集包括音頻記錄和記錄期間敲了哪些鍵盤按鍵。通過這些數(shù)據(jù)，該算法可以學習到不同按鍵敲擊的聲音，之后就可以通過捕獲的音頻來嘗試識別敲鍵盤的聲音。訓練數(shù)據(jù)集的收集非常具體，采集收據(jù)的根據(jù)也就是鍵盤、麥克風還有兩者之間的相對位置。任何因素發(fā)生了變化，這個方法就變得毫無意義了，不過好在，前的方法可以進行實時預測。

收集訓練數(shù)據(jù)

這個收集訓練數(shù)據(jù)的方法已經(jīng)忽略了2次鍵盤敲擊之間的聲音。只保留實際按鍵前和按鍵后75～100 ms的音頻。這樣做可能會有點不太精確，因為鍵盤敲擊的延遲時間是隨機的，程序捕獲這種事件，也會受到硬件和軟件因素的影響。

舉個例子，下圖是敲擊鍵盤上的字母“g”的完整聲波。

從圖中可以看到，在按鍵峰值之后，還有一個釋放按鍵的峰值。而keytap直接忽略了這個釋放峰值。這可能會提取到額外的信息，不過為了簡單起見，釋放峰值的這個數(shù)據(jù)就直接放棄不用。所以最終字母“g”這個按鍵的訓練數(shù)據(jù)聲波圖如下：

當然，這個75 ms的間隙對打字速度有一定的限制，如果在這個時間段內(nèi)，按鍵有重疊的話，不同按鍵的訓練數(shù)據(jù)就會混雜在一起。

從圖中還可以觀察到的是某個按鍵的訓練聲波圖越多越好，結(jié)合多個聲波圖，可以幫助減少環(huán)境噪音。而且，每個人按鍵的聲音可能稍有不同，這就取決于用戶按鍵的方式，所以也可能會捕獲到某個按鍵的不同的聲音。

創(chuàng)建預測模型

這就體現(xiàn)出人們的非凡創(chuàng)造性，可以通過機器學習、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)來創(chuàng)建預測模型。不過keytap使用了最簡單的一種辦法，對于每一個訓練按鍵執(zhí)行以下的3個步驟：

1.對齊收集到的波形峰值。這有助于避免檢測按鍵之前的隨機延遲時間。

2.基于相似性度量來優(yōu)化聲波的對齊方式，因為有時，聲波的峰值并不是最佳指標，所以要選擇一個更加精確的方法。

3.對其波形進行簡單加權(quán)平均，權(quán)重由相似性度量定義。我們并沒有直接跳到步驟2，而是要先執(zhí)行第一步，因為相似性度量的計算是很吃CPU。而步驟1已經(jīng)有效地縮小了對齊的范圍并減少了計算量。

步驟3之后，最終會得到每個按鍵的平均波形。之后會將其與捕獲到的數(shù)據(jù)進行對比并預測最有可能的輸入按鍵。

keytap中使用的相似性度量是交叉相關(guān)（CC），公式如下：

式中A和B是被比較的2種波形的波形樣本，CC值越高，波形越相似，當然也可以使用其他的相似性度量的測試方法。

不同按鍵之間間隔的計時信息其實也可以加入到預測模型中，不過這里沒有使用這種方法，因為它更加難以實現(xiàn)。

檢測鍵盤輸入

keytap使用相對簡單的閾值技術(shù)來檢測原始音頻中的按鍵事件。顯然當用戶敲擊按鍵時，預計會有一個很高的峰值，這也正是我們想要的效果。閾值相對于過去幾百毫秒的樣本平均強度而言是自適應的，這個方法并不是十分完美，但現(xiàn)在還沒有更有效的方法來檢測按鍵事件。

預測敲了哪些按鍵

一旦確定了可能的按鍵事件，就可以定位到波形的峰值位置，計算該部分波形與訓練數(shù)據(jù)中所有平均波形的相似性度量。允許在峰值附近有小范圍的調(diào)整（前面提到過），相似性度量最高的將對應的是敲擊的按鍵。

幾點觀察

即使這個算法沒有檢測到敲擊的正確按鍵，它仍然能夠預測到附近的按鍵，也就是定位到了正確鍵的下一個鍵。對于這個現(xiàn)象，本人認為有下面2種解釋：

1.鍵盤上相鄰的按鍵發(fā)出的聲音類似；

2.在這個方法中，鍵相對于麥克風的位置對預測起著決定性的作用。

根據(jù)經(jīng)驗本人認為第1種解釋不太可能，所以很可能是第2種解釋。

另外，還觀察到機械鍵盤比非機械鍵盤更容易遭受這種鍵盤竊聽的攻擊。

keytap2

肯定有一種實現(xiàn)預測的方法是根本不需要收集訓練數(shù)據(jù)的，假如用戶使用某種已知語言來輸入文本，比如英語，那么關(guān)于該語言的N元模型統(tǒng)計信息和按鍵檢測的相似性度量值結(jié)合起來就足夠檢測出輸入的文本了。實際上，歸根到底這其實就是破解置換密碼的一種攻擊。

keytap2嘗試著去證明這種攻擊。本人也在做這方面的研究，但是卡在了基于他們的CC公式對按鍵進行聚類分析的部分。但本人認為至少已經(jīng)準備好了置換密碼破解工作，如果在實際中破解成功的話，將會提供更多的細節(jié)。

科學文獻上，關(guān)于這個主題的論文有很多，其中有一篇論文中的一個特別的方法給了我很大的啟發(fā)，那就是Dont Skype&Type！大家有興趣的可以去看看，不管怎樣，希望這篇文章對大家有所幫助。