Podstawy RF i SDR

Częstotliwość radiowa (RF) to niewidoczny obszar ataku otaczający każde współczesne środowisko. Breloki do kluczy, bramy garażowe, karty dostępu do budynków, czujniki bezprzewodowe, drony, telemetria medyczna i urządzenia IoT przesyłają dane drogą radiową.

W przeciwieństwie do kabla sieciowego RF nie można fizycznie odizolować. Każdy, kto ma odbiornik w zasięgu, może nasłuchiwać, a wiele systemów zaprojektowano, zanim bezpieczeństwo stało się priorytetem.

• Wiele protokołów RF przesyła dane jawnym tekstem.
• Ochrona przed ponownym użyciem często nie istnieje albo jest słaba.
• Starszy sprzęt przemysłowy i sprzęt kontroli dostępu rzadko jest aktualizowany.

Dla osoby zajmującej się bezpieczeństwem zrozumienie RF umożliwia ocenę ryzyk, których tradycyjne narzędzia sieciowe zupełnie nie wykrywają.

Sygnał radiowy to fala elektromagnetyczna opisywana przez trzy podstawowe właściwości:

• Częstotliwość — liczba cykli na sekundę, mierzona w hercach (Hz). Typowe cele znajdują się na częstotliwościach 315 MHz, 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz i 2.4 GHz.
• Amplituda — siła lub wysokość fali.
• Faza — przesunięcie czasowe fali względem odniesienia.

Modulacja koduje dane, zmieniając jedną z tych właściwości. Demodulacja odwraca ten proces, aby odzyskać pierwotne bity.

Rozpoznanie sposobu modulowania danych przez dany cel jest pierwszym krokiem do przechwytywania i interpretowania jego transmisji.

W praktyce wielokrotnie spotyka się kilka rodzin modulacji:

• ASK / OOK (kluczowanie amplitudą / kluczowanie włącz-wyłącz) — bity są reprezentowane przez obecność lub brak nośnej. Niezwykle częste w tanich pilotach 433 MHz.
• FSK (kluczowanie częstotliwościowe) — bity zmieniają częstotliwość nośnej. Stosowane przez wiele czujników i BLE.
• PSK (kluczowanie fazowe) — bity zmieniają fazę. Stosowane w łączach o większej przepustowości.
• GFSK — wariant FSK filtrowany gaussowsko, używany przez Bluetooth.

Identyfikacja modulacji wskazuje, którego dekodera należy użyć podczas analizy przechwyconego sygnału.

Radio definiowane programowo (SDR) przenosi przetwarzanie sygnału ze stałego sprzętu do oprogramowania. Zamiast układu przeznaczonego do jednej częstotliwości i jednego protokołu SDR digitalizuje szeroki fragment widma i pozwala oprogramowaniu wykonywać demodulację.

Ta elastyczność sprawia, że SDR jest uniwersalnym narzędziem do badań RF:

• Jedno urządzenie może analizować piloty do bram garażowych, pagery, ADS-B i wiele innych sygnałów.
• Nowe protokoły obsługuje się przez pisanie kodu, a nie kupowanie sprzętu.
• Możliwy jest zarówno odbiór, jak i nadawanie, jeśli sprzęt ma odpowiednie możliwości.

Ceną jest złożoność: użytkownik musi samodzielnie rozumieć próbkowanie, filtrowanie i demodulację.

Sprzęt SDR obejmuje zarówno tanie odbiorniki, jak i pełne urządzenia nadawczo-odbiorcze:

• RTL-SDR — około 20 USD, tylko odbiór, w przybliżeniu od 24 MHz do 1.7 GHz. Doskonały do nauki i nasłuchu.
• HackRF One — nadawanie i odbiór, od 1 MHz do 6 GHz, półdupleks. Powszechnie używane narzędzie badawcze.
• bladeRF / USRP — pełny dupleks, większe częstotliwości próbkowania, używane do zaawansowanych prac nad protokołami.

Typowa konfiguracja łączy SDR z odpowiednimi antenami. Nadawanie wymaga prawnego zezwolenia i odpowiednich anten, aby uniknąć uszkodzenia sprzętu i zakłóceń.

SDR przekształca analogowy RF w strumień próbek cyfrowych. Częstotliwość próbkowania określa, jak szerokie pasmo można obserwować jednocześnie.

Twierdzenie Nyquista mówi, że należy próbkować z częstotliwością co najmniej dwukrotnie większą niż szerokość pasma sygnału, który ma zostać przechwycony. SDR działający z szybkością 2 Msps może wiernie odwzorować około 2 MHz pasma.

• Zbyt mała częstotliwość próbkowania powoduje aliasing sygnału i zniekształca przechwycony zapis.
• Zbyt duża częstotliwość obciąża przepustowość USB i procesor, powodując gubienie próbek.

Próbki są przechowywane jako pary I/Q (składowa zgodna w fazie i składowa kwadraturowa), które wspólnie kodują zarówno amplitudę, jak i fazę.

Praktyczny przepływ pracy z SDR opiera się na niewielkim zestawie dojrzałych narzędzi:

• GQRX / SDR++ — graficzne odbiorniki do przeglądania widma na żywo.
• GNU Radio — środowisko grafów przepływu do budowania własnych demodulatorów.
• Universal Radio Hacker (URH) — narzędzie do wizualnego przechwytywania, demodulowania i dekodowania protokołów cyfrowych.
• rtl_433 — automatycznie dekoduje setki znanych urządzeń 433 MHz.

Najpierw należy przeprowadzić przegląd widma, a następnie przejść do URH lub GNU Radio w celu głębszej analizy.

Przed przystąpieniem do ataku należy przeprowadzić rozpoznanie. Należy dostroić się do oczekiwanego pasma i obserwować wykres wodospadowy pod kątem impulsów energii pojawiających się, gdy urządzenie docelowe nadaje.

Przykład: można nasłuchiwać we wspólnym paśmie ISM 433,92 MHz przy użyciu RTL-SDR i pozwolić rtl_433 automatycznie dekodować pobliskie urządzenia.

Wykres wodospadowy pokazuje częstotliwość środkową, szerokość pasma i czas występowania impulsów — informacje te wyznaczają kolejne kroki.

Praca z RF podlega ścisłym regulacjom, a przepisy różnią się w zależności od kraju. Odbiór jest na ogół mniej ograniczony niż nadawanie, ale interpretowanie niektórych komunikatów nadal może być niezgodne z prawem.

• Nadawanie w pasmach licencjonowanych bez zezwolenia jest w większości jurysdykcji przestępstwem.
• Zakłócanie jest niemal wszędzie nielegalne, nawet podczas testów.
• Należy testować wyłącznie urządzenia będące własnością testującego lub takie, do których oceny testujący ma wyraźne upoważnienie.

Podczas testów nadawania należy używać środowiska ekranowanego klatką Faradaya, aby sygnały nie przedostawały się do otoczenia. Przed rozpoczęciem jakiegokolwiek aktywnego testu RF należy udokumentować zakres upoważnienia.

Pełny potok analizy przekształca surowy sygnał RF w znaczące dane:

• Przechwytywanie — rejestrowanie próbek I/Q z właściwą częstotliwością i szybkością próbkowania.
• Demodulacja — zastosowanie dekodowania ASK, FSK lub PSK w celu odzyskania strumienia bitów.
• Odzyskiwanie zegara — znalezienie szybkości symboli, aby prawidłowo wyrównać bity.
• Dekodowanie — interpretowanie kodowania, takiego jak Manchester, a następnie analizowanie ramki protokołu.

Narzędzia takie jak URH umożliwiają wykonanie wszystkich tych czynności w sposób wizualny. Wyróżniają preambuły, słowa synchronizujące i ładunki, dzięki czemu można krok po kroku przeprowadzić inżynierię wsteczną zastrzeżonego protokołu.

Podstawy RF bezpośrednio przekładają się na obronę:

• Należy zakładać, że każdy bezprzewodowy kanał komunikacji można obserwować, i wybierać szyfrowane, uwierzytelniane protokoły.
• Należy wymagać kodów kroczących lub mechanizmu wyzwanie–odpowiedź, aby przechwyconych transmisji nie można było ponownie odtworzyć.
• Należy monitorować krytyczne pasma pod kątem nieoczekiwanej energii, która może wskazywać na zakłócanie lub spoofing.
• Należy zinwentaryzować urządzenia bezprzewodowe; starsze urządzenia działające w paśmie 433 MHz często w ogóle nie mają zabezpieczeń.

Celem badań RF nie jest wyłącznie łamanie systemów, lecz także ocena i wzmacnianie zabezpieczeń bezprzewodowych obszarów, o których organizacje często zapominają.

Proszę sprawdzić znajomość podstaw próbkowania SDR.

Mają Państwo teraz podstawy RF i SDR niezbędne do pracy nad bezpieczeństwem sieci bezprzewodowych:

• Sygnały radiowe charakteryzują się częstotliwością, amplitudą i fazą, a dane są kodowane za pomocą modulacji, takich jak ASK, FSK i PSK.
• SDR digitalizuje widmo i wykonuje demodulację programowo, dzięki czemu jedno urządzenie może analizować wiele protokołów.
• Szybkość próbkowania musi spełniać kryterium Nyquista; próbki są przechowywane jako pary I/Q.
• Łańcuch narzędzi obejmuje GQRX, GNU Radio, URH i rtl_433, prowadząc od rozpoznania do dekodowania.
• Nadawanie i zakłócanie podlegają ograniczeniom prawnym; należy zawsze działać w ramach upoważnienia i w ekranowanych środowiskach.

Następnie zastosują Państwo te podstawy do konkretnych protokołów, zaczynając od Bluetooth.