GSM Sniffing入门之软件篇：GSMTAP抓取与SMS(Short Message Service)

2022-04-16 04:58:49

重点介绍如何利用50元左右的设备，抓包并还原SMS短信内容：

ps:研究GSM Sniffing纯属个人兴趣，能抓SMS报文只是捡了个明文传输的漏子，切勿用于非法用途。就像sylvain说的，osmocomBB并不是为抓包而实现的，如果没有足够的GSM相关知识，想实现还原语音通话内容根本就无从下手。

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【第二部分-软件篇：GSMTAP抓取与SMS(Short Message Service)还原】

之前介绍了OsmocomBB的硬件与刷机，这里重点介绍下其附带软件的使用。

参考官方wiki可以知道osmocomBB的代码可以分为两种：一种是在手机基带芯片上跑的layer1（物理传输层）；另一种是在PC上跑的与layer1通信，提供上层服务的程序：

代码:

[root@ArchDev ~]# cd osmocom-bb/src/
[root@ArchDev src]# ls
Makefile  README.building  README.development  host  shared  target  target_dsp  wireshark

target下就是针对各手机的固件，bin位于target/firmware/board/compal_e88下。Baseband firmware一节介绍了不同固件的功能和对应程序，*.compalram是软刷用的，断电后需要重新刷机。*.e88flash/*.e88loader是配合loader使用的，刷入前需要参考 http://bb.osmocom.org/trac/wiki/flashing_new 把loader写到手机中，然后在手机上用loader运行。
后面cell_log和ccch_scan都是对应layer1的，因为直接写入有一定危险性，本文只演示软刷(layer1.compalram)的使用方法。
回到src目录下，接着看PC侧的工具：

代码:

[root@ArchDev ~]# cd ~/osmocom-bb/src/
[root@ArchDev host]# ls
calypso_pll  fb_tools  gsmmap  layer23  osmocon  rita_pll

osmocon是刷入固件，并与固件通信的程序，使用方法（注意C118选compal_e88/layer1.compalram.bin这个固件）：

代码:

$ cd host/osmocon/
$ ./osmocon -p /dev/ttyUSB0 -m c123xor ../../target/firmware/board/compal_e88/layer1.compalram.bin

将C118关机后，短按电源键就开始运行了。刷机过程和常见问题硬件篇都已经提过，这里不再详述。

layer23下，有实现不同功能的数据链路层/网络层程序，比如模拟手机功能的mobile（接入网络需要SIM卡），以及抓取相关信息的杂项程序。直接进入misc目录：

代码:

cd layer23/src/misc/

cell_log是一个扫描有效运营商频率，并收集BCCH上基本信息的工具，我们先用它来获取运营商的ARFCN、MNC和MCC等信息。这里不需要gprs数据，直接使用这个参数：

代码:

-O --only-scan  Do a scan and show available ARFCNs, no data logging

./cell_log --only-scan
...
<000e> cell_log.c:248 Cell: ARFCN=56 PWR=-67dB MCC=460 MNC=00 (China, China Mobile)

例如这里选取信号最强的ARFCN=56 (China Mobile)，有了这个就可以开始抓取Common Control Channel (CCCH)了：

代码:

./ccch_scan -a 56 -i 127.0.0.1

看到ccch_scan开始输出burst内容后，就可以

代码:

sudo wireshark -k -i lo -f 'port 4729'

打开Wireshark来抓GSMTAP，设置 gsm_sms 过滤器即可看到SMS报文内容：

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为了加深对SMS传输的理解，我写了个Python脚本来重组短信的PDU。
下面部分需要些GSM网络相关的知识，推荐 GSM network and services 2G1723 2006

从协议图中得知，移动设备(MS)和基站(BTS)间使用Um接口，最底层就是刷入手机的layer1物理传输层，之上分别是layer2数据链路层和layer3网络层。

位于图中layer2的LAPDm，是一种保证数据传输不会出错的协议。一个LAPDm帧共有23个字节（184个比特），提供分片管理控制等功能:

layer3的协议则可以分为RR/MM/CM三种，这里只列出嗅探相关的功能：

代码:

RR(Radio Resource Management)：channel, cell控制等信息，可以忽略
MM(Mobility Management)：Location updating（如果需要接收方号码，需要关注这个动作）
CM(Connection Management)：Call Control（语音通话时的控制信息，可以知道何时开始捕获TCH）, SMS（这里的重点）

参考GSM的文档 TS 04.06 得知 LAPDm 的Address field字段中，定义了 3.3.3 Service access point identifier (SAPI)

代码:

SAPI value  Related entity 
0  Call control signalling, mobility management signalling and radio resource management signalling
3  Short message service

SAPI=3就是我们要的Short message service，如图：

3gpp的GSM文档看得比较晕，这里直接对照Wireshark里的gsm_sms报文分析，发现SMS帧实际是重组LAPDm的payload得到的。也就说如果想自己处理SMS帧，就必须也和Wireshark一样重组LAPDm的payload，并解析其中的SMS PDU。

这是一个SAPI=3的LAPDm报文头部。GSMTAP是一种伪头部http://bb.osmocom.org/trac/wiki/GSMTAP，记录了burst的一些基本信息（如ChannelType，ARFCN，上行还是下行等）。因为是用ccch_scan捕获的流量，编码时只用关注 Channel Type: SDCCH/8 的LADPm协议。
为了方便访问，定义GSMTAP类如下，传入udp payload部分，解析GSMTAP并提供其后的数据：

代码:

class GSMTAP:
  def __init__(self, gsmtap):
    self.gsmtap = gsmtap

    setattr(self, "version", ord(gsmtap[0]))
    setattr(self, "hdr_len", ord(gsmtap[1]) << 2)
    setattr(self, "payload_type", ord(gsmtap[2]))

    setattr(self, "time_slot", ord(gsmtap[3]))
    ARFCN = (ord(gsmtap[4])&0x3F)*0x100 + ord(gsmtap[5])
    UPLINK = ord(gsmtap[4]) >> 6
    setattr(self, "arfcn", ARFCN)
    setattr(self, "link", UPLINK)

    setattr(self, "signal_noise", ord(gsmtap[6]))
    setattr(self, "signal_level", ord(gsmtap[7]))
    # GSM Frame Number
    setattr(self, "channel_type", ord(gsmtap[12]))
    setattr(self, "antenna_number", ord(gsmtap[13]))
    setattr(self, "sub_slot", ord(gsmtap[14]))

  def get_payload(self):
    return self.gsmtap[self.hdr_len:]

GSMTAP Header之后是 Link Access Procedure, Channel Dm，即LAPDm。参考TS 04.06有3个关键字段: Address Field，Control Field，Length Field
Address Field除了上面说的SAPI外都可以不关注。
Control Field比较关键，里面记录了该LAPDm的分片信息。Frame type: Information frame说明当前是I帧(I frame)，其余bit为N(S)和N(R)。Send sequence number N(S)标记该分片的顺序，从0开始递增。看Wireshark源码说实际有些N(S)可能不是从0开始的，这里组包就不判断N(S)是否为0直接按顺序附加。N(R)是Receive sequence number，看文档上I帧传输时N(R)的状态没看明白，直接默认同时间只有1个下行短信了，这样收到的N(R)基本是一样的（事实上大部分时候都是如此）
Length Field除了长度信息，还有 More segments 标记，直到这个位为0才表示接收完一个完整的SMS报文

代码:

class LAPDm:
  def __init__(self, lapdm):
    setattr(self, "lapdm", lapdm)

    setattr(self, "addr_field", ord(lapdm[0]))
    setattr(self, "lpd", (ord(lapdm[0])>>5)&0x3)
    setattr(self, "sapi", (ord(lapdm[0])>>2)&0x7)

    setattr(self, "ctrl_field", ord(lapdm[1]))
    setattr(self, "n_r", ord(lapdm[1])>>5)
    setattr(self, "n_s", (ord(lapdm[1])>>1)&0x7)

    setattr(self, "len_field", ord(lapdm[2]))
    setattr(self, "has_more", (ord(lapdm[2])>>1)&0x1)
    setattr(self, "length", ord(lapdm[2])>>2)

  def get_data(self):
    return self.lapdm[3:]

之后就可以这样，获得LAPDm的相关信息了：

代码:

gsmtap = GSMTAP(gsm_payload)
lapdm = LAPDm(gsmtap.get_payload())

if (gsmtap.channel_type == 8) and (lapdm.sapi == 3):  # TS 04.06, 3.3.3, SAPI: 3 - Short message service
  debug_printf("LINK[%d] ARFCN=%d TIME_SLOT=%d CHANNEL=%d, N(R)=%d N(S)=%d, segment more[%d], payload len=%d\n" % \
    (gsmtap.link, gsmtap.arfcn, gsmtap.time_slot, gsmtap.channel_type, lapdm.n_r, lapdm.n_s, lapdm.has_more, lapdm.length))

  last_sms_payload += lapdm.get_data()    # 附加本次收到的数据
  if (lapdm.has_more == 0):      # 最后一个分片，解析整个 SMS payload
    hexdump(last_sms_payload)
    last_sms_payload = ""

接着看wireshark中重组的payload，确认得到的last_sms_payload和wireshark中解析的一致。
在wireshark中展开一个重组后的SMS报文

可以看到，在 GSM SMS TPDU (GSM 03.40) SMS-DELIVER 之前，还有CP-DATA/RP-DATA头，RP-DATA中有短信中心的信息，但没什么作用直接跳过。我们只需要知道后面SMS TPDU的长度即可：

代码:

class SMS:
  def __init__(self, payload):
    self.payload = payload

    iOff = 0
    # CP-DATA
    setattr(self, "protocol", ord(payload[iOff])&0xF); iOff+=1
    iOff += 2

    # RP-DATA (Network to MS)
    iOff += 2
    setattr(self, "RP_origin_len", ord(payload[iOff])); iOff+=1
    setattr(self, "RP_origin_ext", ord(payload[iOff]));
    setattr(self, "RP_origin", bcdDigits(payload[iOff+1:iOff+self.RP_origin_len]))
    iOff += self.RP_origin_len

    setattr(self, "RP_dest_len", ord(payload[iOff])); iOff+=1
    iOff += self.RP_dest_len

    setattr(self, "length", ord(payload[iOff])); iOff+=1
    setattr(self, "tpdu_off", iOff);

  def get_tpdu(self):
    return self.payload[self.tpdu_off:self.tpdu_off+self.length]

调用 get_tpdu() 就会返回TPDU内容，里面TP-Originating-Address就是发送者的号码，TP-User-Data就是我们要的短信内容。

代码:

class TPDU:
  def __init__(self, tpdu):
    setattr(self, "tpdu", tpdu)
    
    iOff = 0
    # SMS-DELIVER
    iOff += 1
    setattr(self, "TP_origin_num", ord(tpdu[iOff])); iOff+=1
    setattr(self, "TP_origin_len", (self.TP_origin_num>>1)+(self.TP_origin_num%2))
    setattr(self, "TP_origin_ext", ord(tpdu[iOff])); iOff+=1
    setattr(self, "TP_origin", bcdDigits(tpdu[iOff:iOff+self.TP_origin_len]))
    iOff += self.TP_origin_len

    iOff += 2
    iOff += 7  # TimeStamp

    setattr(self, "tpu_len", ord(tpdu[iOff])); iOff+=1
    setattr(self, "data", tpdu[iOff:iOff+self.tpu_len])

  def get_data(self):
    return self.data.decode("utf-16be").encode("utf-8")

中文在SMS中是UCS2编码的，get_data() 是用python的utf-16be解码原始数据，并转成UTF-8输出。

好了，加上process_sms_tpdu()函数，最终代码就是这样：

代码:

def process_sms_tpdu(sms_payload):
  hexdump(sms_payload)

  sms = SMS(sms_payload)
  tpdu = TPDU(sms.get_tpdu())
  debug_printf("[SMS from %s] %s" % (tpdu.TP_origin, tpdu.get_data()))

def handle_tcpdump_buffer(title, buffer):
  raw_struct = str2rawbuf(buffer)
  udp_packet = UDP(raw_struct)
  gsm_payload = udp_packet.get_payload()
  #hexdump(gsm_payload)

  gsmtap = GSMTAP(gsm_payload)
  lapdm = LAPDm(gsmtap.get_payload())

  if (gsmtap.channel_type == 8) and (lapdm.sapi == 3):    # TS 04.06, 3.3.3, SAPI: 3 - Short message service
    debug_printf("LINK[%d] ARFCN=%d TIME_SLOT=%d CHANNEL=%d, N(R)=%d N(S)=%d, segment more[%d], payload len=%d\n" % \
      (gsmtap.link, gsmtap.arfcn, gsmtap.time_slot, gsmtap.channel_type, lapdm.n_r, lapdm.n_s, lapdm.has_more, lapdm.length))

    global last_sms_payload
    last_sms_payload += lapdm.get_data()
    if (lapdm.has_more == 0):
      process_sms_tpdu(last_sms_payload)
      last_sms_payload = ""

注：文末的 gsmtap_sms_decode_src.7z 里有完整的解析脚本 使用 ./ccch_scan -a ARFCN -i 127.0.0.1 将GSMTAP转发到本机的4729端口后，可以用这个脚本来重组SMS报文：

tcpdump -l -ilo -nXs0 udp and port 4729 | python2 -u show_gsmtap_sms.py

运行截图：

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上面脚本只是为了熟悉lapdm的重组，并未处理N(S)非零，以及并发时下行短信的重组建议有一定编码能力的同学，可以参考wireshark源码进行数据还原：

代码:

static void
dissect_lapdm(tvbuff_t *tvb, packet_info *pinfo, proto_tree *tree)
{
            ... ...
            /* Rely on caller to provide a way to group fragments */
            fragment_id = (pinfo->circuit_id << 4) | (sapi << 1) | pinfo->p2p_dir;

            /* This doesn't seem the best way of doing it as doesn't
               take N(S) into account, but N(S) isn't always 0 for
               the first fragment!
             */
            fd_m = fragment_add_seq_next (&lapdm_reassembly_table, payload, 0,
                                pinfo,
                                fragment_id, /* guint32 ID for fragments belonging together */
                                NULL,
                                /*n_s guint32 fragment sequence number */
                                len, /* guint32 fragment length */
                                m); /* More fragments? */
            ... ...
}

另外细心的各位可能会奇怪，下行短信里怎么没有短信接受者的号码，这里有篇关于SMS传输的基本原理说明：
http://robinlea.com/pub/Amphol/Secur...arch_Labs.html
简单来讲，短信接受者的号码、IMEI等数据，只有在"Location Update"时才会在网络中出现，并且是以加密形式传输的。当接收短信时，基站根据之前位置更新时注册的信息，判断接收者的位置。所以，想要拿到接受者的号码，需要破解A5/1算法并还原出"Location Update"时的原文
Airprobe项目里有介绍如何破解A5/1算法找到Kc：https://srlabs.de/airprobe-how-to/ 只不过需要价格昂贵的USRP2...
另外还看到个RTL-SDR的文章（就是以前传说中可以跟踪飞机的电视棒），也支持Airprobe：
http://www.rtl-sdr.com/rtl-sdr-tutor...and-wireshark/
到此，GSM Sniffering入门算是告一段落了，感谢各位！

附件：gsmtap_sms_decode_src.7z

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关于抓上行短信或语音嗅探。看到这里有篇讨论：

http://baseband-devel.722152.n3.nabb...td3531044.html
以及http://wulujia.com/2013/11/10/OsmocomBB-Guide/的文末也有图片
里面都提到，除了代码里增加ARFCN的上行偏移，还需要移除C118上的一个RX过滤器。这里是官方的一个指引：
http://bb.osmocom.org/trac/wiki/Hardware/FilterReplacement
语音除了需要抓TCH外（sniff_tch_sched_set也还有定义），还需要算出Kc才能解码。

这篇论文附录里有提到如何操作，他是在USRP2上实现的（A5/1 rainbow-table攻击）。
OsmocomBB上好像做不到实时，不过mail list中倒是有些资料。TCH部分目前还是一头雾水，如果有什么比较好的思路可以探讨一二

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