Основы RF и SDR

Радиочастотный диапазон (RF) — это невидимая поверхность атаки, окружающая любую современную среду. Брелоки, гаражные ворота, карты доступа в здания, беспроводные датчики, дроны, медицинская телеметрия и устройства IoT передают данные по воздуху.

В отличие от сетевого кабеля, RF нельзя физически изолировать. Любой, у кого есть приёмник в зоне действия, может слушать, а многие системы были разработаны ещё до того, как безопасность стала приоритетом.

• Многие протоколы RF передают данные в открытом виде.
• Защита от повторного воспроизведения часто отсутствует или слаба.
• Устаревшее промышленное оборудование и устройства контроля доступа редко получают исправления.

Понимание RF позволяет специалисту оценивать риски, которые традиционные сетевые инструменты полностью не замечают.

Радиосигнал — это электромагнитная волна, описываемая тремя основными свойствами:

• Частота — число циклов в секунду, измеряемое в герцах (Гц). Распространённые цели работают на частотах 315 МГц, 433 МГц, 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц.
• Амплитуда — сила или высота волны.
• Фаза — временной сдвиг волны относительно опорного сигнала.

Модуляция кодирует данные, изменяя одно из этих свойств. Демодуляция обращает этот процесс, восстанавливая исходные биты.

Определение способа модуляции данных целью — первый шаг к захвату и интерпретации её передач.

В работе вам неоднократно встретятся несколько семейств модуляции:

• ASK / OOK (амплитудная манипуляция / манипуляция включением-выключением) — биты представлены наличием или отсутствием несущей. Чрезвычайно распространена в дешёвых пультах на частоте 433 МГц.
• FSK (частотная манипуляция) — биты изменяют частоту несущей. Используется многими датчиками и BLE.
• PSK (фазовая манипуляция) — биты изменяют фазу. Используется в каналах связи с высокой пропускной способностью.
• GFSK — вариант FSK с гауссовой фильтрацией, используемый Bluetooth.

Определение модуляции подсказывает, какой декодер применить при анализе захваченного сигнала.

Программно-определяемое радио (SDR) переносит обработку сигналов из фиксированного оборудования в программное обеспечение. Вместо микросхемы, предназначенной для одной частоты и одного протокола, SDR оцифровывает широкий участок спектра и позволяет программному обеспечению выполнять демодуляцию.

Именно эта гибкость делает SDR универсальным инструментом исследования RF:

• Одно устройство может анализировать пульты от гаражных ворот, пейджеры, ADS-B и многое другое.
• Новые протоколы поддерживаются написанием кода, а не покупкой оборудования.
• Возможны как приём, так и передача, если оборудование это поддерживает.

Обратная сторона — сложность: вам самостоятельно придётся разобраться в дискретизации, фильтрации и демодуляции.

Оборудование SDR варьируется от дешёвых приёмников до полноценных приёмо-передатчиков:

• RTL-SDR — около 20 USD, только приём, примерно от 24 МГц до 1,7 ГГц. Идеально для обучения и прослушивания.
• HackRF One — приём и передача, от 1 МГц до 6 ГГц, полудуплекс. Распространённый рабочий инструмент для исследований.
• bladeRF / USRP — полный дуплекс, более высокие частоты дискретизации, используются для серьёзной работы с протоколами.

Обычно SDR дополняют подходящими антеннами. Для передачи требуется законное разрешение и правильно подобранные антенны, чтобы избежать повреждения оборудования и помех.

SDR преобразуют аналоговый RF в поток цифровых отсчётов. Частота дискретизации определяет, какую ширину полосы можно наблюдать одновременно.

Теорема Найквиста утверждает, что частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше ширины полосы сигнала, который вы хотите захватить. SDR, работающий на частоте 2 Msps, может достоверно представить около 2 МГц полосы.

• Слишком низкая частота дискретизации вызывает наложение спектров и искажает захваченный сигнал.
• Слишком высокая частота создаёт чрезмерную нагрузку на пропускную способность USB и CPU, что приводит к потере отсчётов.

Отсчёты хранятся как пары I/Q (синфазная и квадратурная составляющие), которые вместе кодируют амплитуду и фазу.

Практический рабочий процесс с SDR опирается на небольшой набор зрелых инструментов:

• GQRX / SDR++ — графические приёмники для просмотра спектра в реальном времени.
• GNU Radio — среда потоковых схем для создания собственных демодуляторов.
• Universal Radio Hacker (URH) — визуальный захват, демодуляция и декодирование цифровых протоколов.
• rtl_433 — автоматическая расшифровка сотен известных устройств на частоте 433 МГц.

Начните с обзора спектра, а затем переходите к URH или GNU Radio для более глубокого анализа.

Прежде чем что-либо атаковать, проведите разведку. Настройтесь на предполагаемый диапазон и наблюдайте за водопадной диаграммой, отслеживая всплески энергии в моменты передачи целевого устройства.

Пример: прослушивайте распространённый диапазон 433,92 МГц ISM с помощью RTL-SDR и позвольте rtl_433 автоматически декодировать сигналы расположенных поблизости устройств.

Водопадная диаграмма показывает центральную частоту, полосу пропускания и моменты появления всплесков — всё это помогает определить дальнейшие действия.

Работа с RF строго регулируется, причём правила различаются в разных странах. Приём обычно ограничен меньше, чем передача, однако интерпретация некоторых видов связи тоже может быть незаконной.

• Передача в лицензируемых диапазонах без разрешения в большинстве юрисдикций является уголовным преступлением.
• Глушение почти повсеместно незаконно, даже при проведении испытаний.
• Проверяйте только устройства, которыми Вы владеете или на проверку которых получили явное разрешение.

Для испытаний передачи используйте среду с экранированием по Фарадею, чтобы Ваши сигналы не выходили в реальный мир. До начала любых активных испытаний RF зафиксируйте объём разрешённых работ.

Полный конвейер анализа преобразует необработанный RF в осмысленные данные:

• Захват — записывайте отсчёты I/Q на правильной частоте и с правильной частотой дискретизации.
• Демодуляция — применяйте декодирование ASK, FSK или PSK, чтобы восстановить битовый поток.
• Восстановление тактовой частоты — определяйте скорость передачи символов, чтобы правильно выровнять биты.
• Декодирование — интерпретируйте кодирование, например Manchester, а затем разбирайте кадр протокола.

Такие инструменты, как URH, позволяют выполнять всё это визуально: они выделяют преамбулы, синхрослова и полезные данные, чтобы Вы могли шаг за шагом восстановить структуру закрытого протокола.

Понимание основ RF напрямую помогает выстраивать защиту:

• Считайте, что любое беспроводное соединение можно наблюдать, и выбирайте зашифрованные протоколы с аутентификацией.
• Требуйте меняющиеся коды или механизм «запрос—ответ», чтобы перехваченные передачи нельзя было воспроизвести.
• Контролируйте критически важные диапазоны на предмет неожиданной энергии, которая может указывать на глушение или подмену.
• Составьте перечень беспроводных устройств: устаревшее оборудование на частоте 433 МГц часто вообще не имеет защиты.

Цель исследований RF — не только взлом систем, но и оценка и усиление беспроводных поверхностей атаки, о которых организации часто забывают.

Проверьте, насколько хорошо Вы понимаете основы дискретизации в SDR.

Теперь у Вас есть основа RF и SDR для работы с безопасностью беспроводных систем:

• Радиосигналы определяются частотой, амплитудой и фазой, а данные кодируются с помощью модуляции, например ASK, FSK и PSK.
• SDR оцифровывает спектр и выполняет демодуляцию программными средствами, поэтому одно устройство может анализировать множество протоколов.
• Частота дискретизации должна соответствовать теореме Найквиста; отсчёты хранятся в виде пар I/Q.
• Набор инструментов включает GQRX, GNU Radio, URH и rtl_433 и охватывает путь от обзора спектра до декодирования.
• Передача и глушение ограничены законом; всегда работайте в пределах полученного разрешения и в экранированной среде.

Далее Вы примените эти основы к конкретным протоколам, начав с Bluetooth.