Grundlæggende RF og SDR

Du vil igen og igen møde en håndfuld modulationsfamilier i praksis:

• ASK / OOK (amplitudeskift-/til-frakoblingsnøgling) — bits repræsenteres af, om bærebølgen er til stede eller fraværende. Ekstremt almindeligt i billige 433 MHz-fjernbetjeninger.
• FSK (frekvensskiftnøgling) — bits forskyder bærebølgens frekvens. Bruges af mange sensorer og BLE.
• PSK (faseskiftnøgling) — bits forskyder fasen. Bruges i forbindelser med højere datahastighed.
• GFSK — en gaussisk filtreret FSK-variant, der bruges af Bluetooth.

Når du identificerer modulationen, ved du, hvilken dekoder du skal bruge til at analysere en optagelse.

En softwaredefineret radio (SDR) flytter signalbehandlingen fra fast hardware til software. I stedet for en chip, der er dedikeret til én frekvens og én protokol, digitaliserer en SDR et bredt udsnit af spektret og lader softwaren udføre demodulationen.

Denne fleksibilitet gør SDR til det universelle værktøj til RF-forskning:

• Ét apparat kan analysere garagefjernbetjeninger, personsøgere, ADS-B og meget mere.
• Nye protokoller understøttes ved at skrive kode i stedet for at købe hardware.
• Både modtagelse og, med egnet hardware, transmission er mulig.

Prisen er kompleksitet: Du skal selv forstå sampling, filtrering og demodulation.

SDR-hardware spænder fra billige modtagere til komplette transceivere:

• RTL-SDR — cirka 20 USD, kun modtagelse, omtrent 24 MHz til 1,7 GHz. Ideel til at lære og lytte.
• HackRF One — sender og modtager fra 1 MHz til 6 GHz, halv duplex. Et almindeligt arbejdsværktøj til forskning.
• bladeRF / USRP — fuld duplex og højere samplingsfrekvenser, bruges til seriøst protokolarbejde.

En typisk opsætning kombinerer SDR'en med passende antenner. Transmission kræver lovmæssig tilladelse og egnede antenner for at undgå hardwareskader og forstyrrelser.

SDR'er omdanner analog RF til en strøm af digitale samples. Samplingsfrekvensen bestemmer, hvor stor en båndbredde du kan observere på én gang.

Nyquist-teoremet fastslår, at du skal sample med mindst det dobbelte af båndbredden for det signal, du vil optage. En SDR, der kører ved 2 Msps, kan gengive cirka 2 MHz båndbredde korrekt.

• En for lav samplingsfrekvens aliaserer signalet og ødelægger din optagelse.
• En for høj frekvens belaster USB-gennemstrømningen og CPU'en, hvilket medfører tabte samples.

Samples gemmes som I/Q-par (in-fase og kvadratur), der tilsammen koder både amplitude og fase.

En praktisk SDR-arbejdsgang bygger på et lille udvalg af modne værktøjer:

• GQRX / SDR++ — grafiske modtagere til direkte gennemsyn af spektret.
• GNU Radio — et signalflowmiljø til opbygning af tilpassede demodulatorer.
• Universal Radio Hacker (URH) — opfang, demodulér og afkod digitale protokoller visuelt.
• rtl_433 — afkoder automatisk hundredvis af kendte 433 MHz-enheder.

Begynd med at undersøge spektret, og gå derefter videre til URH eller GNU Radio for en dybere analyse.

Før du går til angreb på noget, foretager du rekognoscering. Indstil dig på det forventede frekvensbånd, og hold øje med vandfaldsvisningen efter energistød, når målenheden sender.

Eksempel: Lyt på det almindelige 433,92 MHz-ISM-bånd med en RTL-SDR, og lad rtl_433 automatisk afkode enheder i nærheden.

Vandfaldsvisningen afslører centerfrekvens, båndbredde og timingen af signaludbruddene, som alle hjælper dig med at vælge dine næste trin.

RF-arbejde er stærkt reguleret, og reglerne varierer fra land til land. Modtagelse er generelt mindre begrænset end transmission, men det kan stadig være ulovligt at fortolke visse kommunikationer.

• At sende på licenserede bånd uden tilladelse er en strafbar handling i de fleste jurisdiktioner.
• Signalforstyrrelse er næsten universelt ulovligt, selv ved test.
• Test kun enheder, du ejer, eller som du udtrykkeligt har tilladelse til at vurdere.

Brug et Faraday-afskærmet miljø til test af transmissioner, så dine signaler ikke slipper ud i den virkelige verden. Dokumentér omfanget af din tilladelse, før du udfører en aktiv RF-test.

Hele analyseforløbet omdanner rå RF til meningsfulde data:

• Opsamling — registrér I/Q-værdier ved den korrekte frekvens og samplingsrate.
• Demodulation — anvend ASK-, FSK- eller PSK-dekodning til at genskabe en bitstrøm.
• Gendannelse af klokkesignal — find symbolraten, så bittene justeres korrekt.
• Afkodning — fortolk kodning som Manchester, og analysér derefter protokolrammen.

Værktøjer som URH lader dig gøre alt dette visuelt, idet de fremhæver præambler, synkroniseringsord og nyttelaster, så du trin for trin kan rekonstruere en proprietær protokol.

RF-grundprincipperne danner et direkte grundlag for forsvaret:

• Antag, at enhver trådløs forbindelse kan overvåges, og vælg krypterede, autentificerede protokoller.
• Kræv rullende koder eller udfordring-svar, så opsnappede transmissioner ikke kan genafspilles.
• Overvåg kritiske bånd for uventet energi, der kan være tegn på signalforstyrrelse eller signalforfalskning.
• Lav en fortegnelse over trådløse enheder; ældre 433 MHz-udstyr har ofte slet ingen sikkerhed.

Målet med RF-forskning er ikke blot at bryde systemer, men at vurdere og styrke de trådløse angrebsflader, som organisationer glemmer, at de har.

Du har nu det nødvendige grundlag i RF og SDR til at arbejde med trådløs sikkerhed:

• Radiosignaler defineres af frekvens, amplitude og fase, og data kodes ved hjælp af modulation som ASK, FSK og PSK.
• En SDR digitaliserer spektret og demodulerer i software, så én enhed kan analysere mange protokoller.
• Samplingsraten skal følge Nyquist-kriteriet; prøver lagres som I/Q-par.
• Værktøjskæden omfatter GQRX, GNU Radio, URH og rtl_433 og bevæger sig fra kortlægning til afkodning.
• Transmission og signalforstyrrelse er underlagt lovmæssige begrænsninger; arbejd altid inden for det tilladte omfang og i afskærmede miljøer.

Dernæst anvender du disse grundprincipper på specifikke protokoller, begyndende med Bluetooth.