Что такое Bluetooth Low Energy (BLE) и как его взламывают

Чтобы вы не ушли пока читаете скучную теорию — в этой статье я буду взламывать свою зубную щётку…

Bluetooth, как мы знаем, является одной из самых популярных и широко используемых беспроводных технологий в современном мире. В связи с быстрым ростом IoT, ускоряющим развитие технологии Bluetooth, Специальная группа по интересам Bluetooth (Bluetooth Special Interest Group (SIG)) предпринимает постоянные усилия по увеличению скорости передачи с максимальным акцентом на маяки, развлечения, сферу здравоохранения и фитнес.

Примечание: IoT — «Интернет вещей», термин относится к совокупности разнообразных устройств, обычно более простых, чем персональный компьютер, которые подключены к Интернету.

Bluetooth Low Energy (BLE) является частью спецификации Bluetooth 4.0, которая также включает протоколы классического Bluetooth и протокол высокоскоростного Bluetooth (Classic Bluetooth and Bluetooth High Speed Protocols). По сравнению с классическим Bluetooth, BLE предназначен для использования меньшей мощности при сохранении аналогичного диапазона связи. BLE — это технология, которая всегда отключена и передаёт только короткие объёмы данных, когда это необходимо. Это значительно снижает энергопотребление, что делает его идеальным для использования в случаях, когда требуется постоянное долговременное соединение с низкой скоростью передачи данных. BLE идеально подходит для пульта дистанционного управления телевизором, но не для беспроводного устройства потоковой передачи мультимедиа, которому для передачи требуется большой объем данных.

Bluetooth Low Energy встроен во многие гаджеты, которые мы используем сегодня. От смартфонов, умных телевизоров, передовых технологий, таких как медицинское оборудование, до базовых устройств, таких как наши кофемашины, — все используют BLE.

Изначально Nokia разработала BLE для собственного проекта под названием «WIBREE», который впоследствии был передан Bluetooth SIG. BLE был задуман с акцентом на лучшую скорость сопряжения и энергоэффективность.

Что выделяет BLE?

Обеспечивает многоплатформенную связь: может легко общаться через большое количество устройств, работающих на Android, iOS, Linux, Windows Phone, Windows 8 и OS X
Лучшая скорость сопряжения
Помогает поддерживать связь в течение более длительных периодов времени
Значительно ниже затраты на внедрение
Энергоэффективный

На бумаге BLE выглядит хорошо, а как на практике?

Это хороший вопрос с точки зрения безопасности. Дело в том, что BLE — это просто протокол. Изготовители должны безопасно внедрить BLE в своё устройство. Известно, что даже самый сильный криптографический протокол не будет работать, если генератор случайных чисел не является «достаточно случайным». То же самое относится и к BLE. Таким образом, можно сказать, что безопасность BLE лежит в руках его исполнителей.

В то время как все устройства Bluetooth с низким энергопотреблением были разработаны с основной целью улучшения взаимодействия с пользователем, безопасность заняла последнее место во время процесса?

Давайте посмотрим на три основные уязвимости, которым BLE могут подвергать своих пользователей:

Подслушивание: как следует из названия, подслушивание относится к стороннему устройству, прослушивающему данные, которыми обмениваются два сопряжённых устройства. Соединение между двумя сопряжёнными устройствами означает цепочку доверия. Цепь разрывается при удалении одного из устройств. Злоумышленник может использовать номер устройства для доступа к другим Bluetooth-устройствам. Даже если ключи шифрования/расшифровки должны были быть удалены, атакующий может офлайн брутфорсить ПИН, используя Bluetooth Sniffer (на основе идентификатора устройства). Как только PIN-код будет получен, устройство может быть легко взломано.
Атаки «человек посередине» (MITM). Атаки «человек посередине» включают стороннее устройство, имитирующее законное устройство, обманывая два легитимных устройства, заставляя их поверить в то, что они связаны друг с другом, когда на самом деле законные устройства подключены к имитатору (посреднику). Этот тип атаки позволяет злоумышленнику/имитатору получить доступ ко всем данным, которыми обмениваются устройства, а также манипулировать данными, удаляя или изменяя их, прежде чем они достигнут соответствующего устройства.
Отказ в обслуживании и Fuzzing атака. Поскольку большинство беспроводных устройств в наши дни работают на встроенных аккумуляторных батареях, эти устройства подвержены риску атак типа «отказ в обслуживании» (DoS). DoS-атаки подвергают систему частым сбоям, приводящим к полному истощению её батареи. Fuzzing атаки также приводят к сбою систем, поскольку злоумышленник может отправлять искажённые или нестандартные данные на радиомодуль устройства Bluetooth и проверять его реакцию, что в конечном итоге может сбить с толку устройство.

Итак, резюмируя, по своей задумке BLE это упрощённая версия Bluetooth, которая всегда не меняет каналы (частоты), что облегчает сниффинг и атаку человек-посередине. BLE не имеет встроенного протокола обеспечения безопасности. Реализация безопасности BLE возложена на производителей конечных устройств, которые не всегда подходят к этому добросовестно. По этой причине многие BLE устройства можно легко обнаружить практически в любое время их работы. При этом зачастую они не содержат каких-либо механизмов для ограничения чтения и даже записи на них, то есть открыты для подключения и модификации кому угодно.

Основные понятия в BLE

В BLE есть два основных понятия.

GAP — Generic Access Profile (общий профиль доступа)
GATT — Generic Attribute Protocol (протокол общих атрибутов)

Общий профиль доступа (GAP)

Он ответственен за подключение и распространения информации о наличии устройства BLE. GAP отвечает за видимость устройства во внешнем мире, а также играет важную роль в определении того, как устройство взаимодействует с другими устройствами.

Следующие две концепции являются неотъемлемой частью GAP:

Периферийные устройства. Это небольшие устройства с низким энергопотреблением, которые могут подключаться к сложным, более мощным центральным устройствам. Монитор сердечного ритма является примером периферийного устройства.

Центральные устройства: в основном это мобильные телефоны или гаджеты с увеличенной памятью и вычислительной мощностью.

Advertising process (обеспечение видимости устройства)

Процесс обнаружения устройств заключается в том, что Периферийное устройство в заданные интервалы отправляет в округу данные о своём существовании. Если эти данные получит Центральное устройство, то оно отправит запрос на сканирование. В ответ Периферийное устройство пришлёт данные результата сканирования.

Периферийное устройство будет отправлять «рекламные» данные каждые 2 секунды. Если центральное устройство готово прослушать рекламные пакеты, оно ответит запросом сканирования. В ответ на этот запрос периферийное устройство отправит данные ответа сканирования. Таким образом, центральное и периферийное устройства узнают друг о друге и связывается друг с другом.

Протокол общих атрибутов (GATT)

Используя общий протокол данных, известный как протокол атрибутов, GATT определяет, как два устройства BLE обмениваются данными друг с другом, используя понятия — сервис (service) и характеристика (characteristic). Этот протокол сохраняет все сервисы и характеристики в справочной таблице с использованием 16-битных идентификаторов, как указано в Bluetooth SIG. Важно отметить, что GATT инициируется только после того, как Advertising процесс, регулируемый GAP, завершён.

Две основные концепции, которые образуют GATT

Сервисы (service)
Характеристики (characteristic)

Сервисы

Сервисы можно представить просто как шкаф, в котором может быть много ящиков, которые в свою очередь называются характеристиками. Сервис может иметь много характеристик. Каждый сервис уникален сам по себе с универсально уникальным идентификатором (UUID), который может быть размером 16 бит для официальных адаптированных сервисов или 128 бит для пользовательских сервисов.

Характеристики

Характеристики являются наиболее фундаментальным понятием в рамках транзакции GATT. Характеристики содержат одну точку данных и схожи с сервисами, каждая характеристика имеет уникальный идентификатор или UUID, который отличается от другой характеристики.

Вот спецификации SIG для характеристик и сервисов для устройств BLE. Любое устройство BLE, которое официально приняло UUID от SIG, должно использовать идентификатор, указанный ими в своих приложениях.

Например, официальный UUID мощности передачи (TX power) в соответствии с мандатом SIG равен 0x1804.

Чтобы было наглядно, посмотрите на этот пример сервисов и характеристик конкретного устройства:

В нём «Generic Access (1800)» — это 16-битный сервис. Внутри этого сервиса, следующие 16-битные характеристики:

     Device Name (2a00)
     Appearance (2a01)
     Peripheral Privacy Flag (2a02)
     Reconnection Address (2a03)
     Peripheral Preferred Connection Parameters (2a04)

Ещё один 16-битный сервис это «Generic Attribute (1801)», он содержит только одну 16-битную характеристику: Service Changed (2a05).

Далее идут три 128-битные сервиса, первый из них «a0f0fff050474d5382084f72616c2d42», содержит четыре 128-битных характеристики:

     a0f0fff150474d5382084f72616c2d42
     a0f0fff250474d5382084f72616c2d42
     a0f0fff350474d5382084f72616c2d42
     a0f0fff450474d5382084f72616c2d42

Имеется проблема в идентификации сервисов и характеристик. Для 16-битных сервисов и характеристик всё просто, ссылки на их значения даны выше. Что касается 128-битных сервисов и характеристик, то они у каждого производителя могут быть свои. То есть нужно приложит некоторые усилия, чтобы, к примеру, сопоставить что-то вроде d0611e78-bbb4-4591-a5f8-487910ae4366 с чем-то вроде Apple Continuity Service. Для сопоставления можно использовать как минимум два подхода:

анализ приложения для управления устройством (многие устройства имеют программы под Android)
фаззинг — ввод различных данных и наблюдение за устройством, что в нём поменялось

Как взломать Bluetooth Low Energy

Суть процесса взлома Bluetooth Low Energy можно описать следующими стадиями:

Обнаружение устройства
Считывание его сервисов и характеристик
Обнаружение среди характеристик те, которые можно перезаписать
Определение, за что отвечают характеристики
Изменить значения характеристик

Четвёртый этап является творческим и самым сложным. Иногда роль характеристик можно найти в документации разработчиков для данного устройства. Иногда приходится перебирать значения и смотреть, что поменялось в устройстве. Самый сложный вариант — это обратная инженерия перехваченного Bluetooth трафика или приложения для управление устройством.

Я покажу пример изменения BLE параметров на устройстве с помощью bettercap.

Запускаем bettercap:

sudo bettercap

Вводим команду для включения модуля по обнаружению BLE устройств:

ble.recon on

При обнаружении новых устройств и при потере видимости устройств будут выводиться примерно следующие сообщения:

192.168.1.0/24 > 192.168.1.53  » [06:46:17] [ble.device.lost] BLE device Oral-B Toothbrush C8:DF:84:1A:9F:26 (Texas Instruments) lost.
192.168.1.0/24 > 192.168.1.53  » [06:49:29] [ble.device.new] new BLE device JBL Flip 3 detected as B8:D5:0B:E2:21:88 (Sunitec Enterprise Co.,Ltd) -77 dBm.
192.168.1.0/24 > 192.168.1.53  » [06:50:02] [ble.device.lost] BLE device JBL Flip 3 B8:D5:0B:E2:21:88 (Sunitec Enterprise Co.,Ltd) lost.
192.168.1.0/24 > 192.168.1.53  » [06:50:35] [ble.device.new] new BLE device detected as 7C:F1:1F:E7:B1:C1 (Apple, Inc.) -82 dBm.
192.168.1.0/24 > 192.168.1.53  » [06:51:07] [ble.device.lost] BLE device 7C:F1:1F:E7:B1:C1 (Apple, Inc.) lost.
192.168.1.0/24 > 192.168.1.53  » [06:57:55] [ble.device.new] new BLE device Oral-B Toothbrush detected as C8:DF:84:1A:9F:26 (Texas Instruments) -64 dBm.

Чтобы вывести устройства, которые в данный момент в пределах досягаемости, выполните команду:

ble.show

Для показа характеристик конкретного устройства, запустите команду следующего вида, где вместо MAC укажите MAC-адрес устройства:

ble.enum MAC

К примеру, меня интересует устройство C8:DF:84:1A:9F:26:

ble.enum C8:DF:84:1A:9F:26

В столбце Properties вы увидите свойства данной характеристики, они могут быть:

READ (чтение)
WRITE (запись) — то есть возможно изменение данной характеристики
NOTIFY (уведомление)
INDICATE (индикатор)

В колонке Data присутствует текущее значение характеристики, либо дополнительная информация, например:

insufficient authentication (недостаточная аутентификация)

Для записи данных HEX_DATA в BLE устройство с указанным MAC адресом, в характеристику с идентификатором UUID:

ble.write MAC UUID HEX_DATA

Пример команды:

ble.write C8:DF:84:1A:9F:26 a0f0ff2350474d5382084f72616c2d42 11

Чтобы знать, что именно записывать, нужно понимать, за что отвечают характеристики. Вот пример значений для моего устройства — это электрическая зубная щётка Oral-B Genius 9000 (кстати, рекомендую). Значение характеристик я нашёл в Интернете.

Сервис a0f0fff050474d5382084f72616c2d42

     a0f0fff150474d5382084f72616c2d42 (Command) — команда
 свойства read, write, notify
 значение 00 | ''

     a0f0fff250474d5382084f72616c2d42 (Data) — данные
 свойства read, write
 значение 00000000 | ''

     a0f0fff350474d5382084f72616c2d42 (Auth) — аудентификация
 свойства read, write
 значение 00 | ''

     a0f0fff450474d5382084f72616c2d42 (Secret) — пароль
 свойства read, write
 значение 00000000 | ''



Сервис a0f0ff0050474d5382084f72616c2d42
     a0f0ff0150474d5382084f72616c2d42 (Handle ID) — идентификатор щётки
 свойства read
 значение 00000000 | ''

     a0f0ff0250474d5382084f72616c2d42 (Handle Type) — тип щётки
 свойства read
 значение 01 | ''

     a0f0ff0350474d5382084f72616c2d42 (User Account) — аккаунт пользователя
 свойства read
 значение 01 | ''

     a0f0ff0450474d5382084f72616c2d42 (Device State) — состояние устройства
 свойства read, notify
 значение 0200 | ''

     a0f0ff0550474d5382084f72616c2d42 (Battery Level) — уровень батареи
 свойства read, notify
 значение 34 | '4'

     a0f0ff0650474d5382084f72616c2d42 (Button State) — состояние кнопки
 свойства read, notify
 значение 00000000 | ''

     a0f0ff0750474d5382084f72616c2d42 (Brushing Mode) — решим чистки
 свойства read, notify
 значение 01 | ''

     a0f0ff0850474d5382084f72616c2d42 (Brushing Time) — время чистки
 свойства read, notify
 значение 0000 | ''

     a0f0ff0950474d5382084f72616c2d42 (Quadrant) — сектор очистки
 свойства read, notify
 значение 00 | ''

     a0f0ff0a50474d5382084f72616c2d42 (Smiley)
 свойства read, notify
 значение 00 | ''

     a0f0ff0b50474d5382084f72616c2d42 (Pressure Sensor) — сенсор давления
 свойства read, notify
 значение 00 | ''

     a0f0ff0c50474d5382084f72616c2d42 (Cache) — кэш
 свойства read, write, notify
 значение  | ''



Сервис a0f0ff2050474d5382084f72616c2d42
     a0f0ff2150474d5382084f72616c2d42 (Status) — статус
 свойства read, write, notify
 значение 8200 | ''

     a0f0ff2250474d5382084f72616c2d42 (RTC)
 свойства read, write
значение 8d15ac21 | '

     a0f0ff2350474d5382084f72616c2d42 (Timezone) — временная зона
 свойства read, write
 значение a7 | '''

     a0f0ff2450474d5382084f72616c2d42 (Brushing Timer) — таймер чистки
 свойства read, write
 значение 0f | ''

     a0f0ff2550474d5382084f72616c2d42 (Brushing Modes) — режимы чистки
 свойства read, write
 значение 0105020403060000 | ''

    a0f0ff2650474d5382084f72616c2d42 (Quadrant Times) — время зон чистки
 свойства read, write
 значение 1e001e001e001e000000000000000000 | ''

     a0f0ff2750474d5382084f72616c2d42 (Tongue Time) — время для чистки языка
 свойства read, write
 значение 00 | ''

     a0f0ff2850474d5382084f72616c2d42 (Pressure) — давление
 свойства read, write
 значение 03 | ''

     a0f0ff2950474d5382084f72616c2d42 (Data) — данные
 свойства read
 значение 4ef1a721800002010000046478801d00 | 'Nq'!dx'

     a0f0ff2a50474d5382084f72616c2d42 (Flight Mode) — режим полёта
 свойства read, write
 значение 00 | ''

Исследование и взлом Bluetooth Low Energy (BLE) с телефона

Поскольку на всех современных телефонах имеется Bluetooth, то вы можете использовать приложения для работы с Bluetooth Low Energy (BLE) окружающих устройств на телефоне.

Пример такого приложения — nRF Connect — бесплатная программа программа для Android, которая умеет сканировать для поиска BLE устройств, подключаться к ним и менять значение характеристик. Программа поддерживает макросы и другие продвинутые функции.

Просмотр сервисов устройства:

Просмотр свойств характеристик:

Редактирование значений характеристик:

Работа с Bluetooth Low Energy (BLE) в Linux

Конечно, в Linux можно работать с устройствами, поддерживающими BLE, напрямую, без таких программ как Bettercap.

К сожалению, этот аспект довольно запутанный. В Debian и производных программы для работы с Bluetooth Low Energy собраны в пакете bluez. В Arch Linux и производных, пакет bluez также имеется, но утилиты, которые нас интересуют, помещены в пакет bluez-utils. Но не это самая большая проблема.

После очередного обновления утилит bluez, авторы вдруг признали многие важные программы «устаревшими», а именно устаревшими объявлены:

gatttool
hciattach
hciconfig
hcidump
hcitool
rfcomm
ciptool
sdptool

Поразительно, но для них не было представлено полноценных замен. Путаницу добавляет отсутствие нормальной документации и даже справки по программам.

Была составлена такая таблица замены:

Устаревший инструмент	Самая подходящая замена
gatttool	btgatt-client, D-Bus Gatt API
hciattach	btattach
hciconfig	btmgmt (и bluetoothctl?)
hcidump	btmon (и btsnoop)
hcitool	отсутствует, доступно в D-Bus Device API
rfcomm	отсутствует, реализовано в D-Bus Profile1 API?
ciptool	отсутствует, реализовано в D-Bus Profile1 API?
sdptool	отсутствует, кажется, что функциональность разбросана по разным объектам D-Bus: Profile, Advertising, и массивы UUIDs в device и adapter.

Слова «отсутствует» не вселяют уверенности. По этой причине для Debian и производных этот пакет компилируется с ключом —enable-deprecated, а на Arch Linux в дополнении к пакету bluez-utils, доступному в стандартных репозиториях, в AUR имеется пакет bluez-utils-compat, в котором тоже включены устаревшие инструменты.

В относительно свежих инструкциях, для взаимодействия с Bluetooth Low Energy используются утилиты:

hcitool
gatttool

Поскольку они устарели и однажды всё-таки будут удалены окончательно, рассмотрим несколько простых вариантов использования их замен для поиска BLE устройств и получения с них данных.

Если запустить программу btmgmt:

sudo btmgmt

И в ней выполнить команду:

find

То она выведет список обнаруженных устройств:

Будут выведены как BLE, так и обычные Bluetooth устройства.

Другая программа:

sudo bluetoothctl

Также умеет искать BLE устройства, если ввести:

scan on

С помощью команды connect можно подключиться к устройству, для этого нужно указать его MAC-адрес:

connect C8:DF:84:1A:9F:26

Информация по устройству:

info C8:DF:84:1A:9F:26

Если перейти в меню GATT:

menu gatt

То можно получить список характеристик:

list-attributes C8:DF:84:1A:9F:26

А также перезаписать характеристики устройства.

Для получения информации по отдельным характеристикам:

attribute-info 00002a05-0000-1000-8000-00805f9b34fb
attribute-info a0f0ff03-5047-4d53-8208-4f72616c2d42

Ещё одна программа, которая выведет сразу все характеристики устройства — btgatt-client. Например, выполним подключение и посмотрим характеристики устройства с MAC C8:DF:84:1A:9F:26:

sudo btgatt-client -d C8:DF:84:1A:9F:26

В дополнении к рассмотренным программам, в отдельной консоли можно запустить Bluetooth monitor:

sudo btmon

Как и полагается программе-монитору, она будет выводить множество информации о происходящем с Bluetooth и об обнаруженных устройствах.

Заключение

Системные утилиты Linux для работы с Bluetooth заслуживают более внимательного изучения — с их помощью можно узнать более подробную информацию о своей системе и сделать тонкую настройку Bluetooth адаптера.

Также с помощью них можно реализовать сканеры BLE и Bluetooth устройств и/или написать или приспособить фаззеры для исследования назначения характеристик BLE устройств. Поэтому вполне возможно, что в одной из следующих статей будут более подробно рассмотрены программы для работы с BLE.

Смотрите также

Как в Linux узнать версию Bluetooth для адаптера и периферии

HackWare.ru

Этичный хакинг и тестирование на проникновение, информационная безопасность