怎么實現LTE空口用戶面數據任意篡改漏洞分析

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0x00 漏洞背景

2020年6月27日GSMA CVD漏洞發(fā)布平臺公布了一個新的漏洞。獨角獸團隊第一時間對該漏洞進行了分析。

該漏洞由LTE標準中的缺陷引入，因為沒有使用強制性的用戶面數據的完整性保護，使得LTE鏈路上的數據可被篡改。例如可以篡改DNS請求和響應。由于該攻擊發(fā)生于數據鏈路層，任何上層協(xié)議針對DNS可用的防護措施都將失效。唯一解決方案是修改LTE標準，目前3GPP正在研究如何修復該漏洞。

圖 1 GSMA CVD 披露

該漏洞是LTE協(xié)議標準漏洞，產生原因是LTE標準在制定時為了提高短報文帶寬利用率，對于用戶面的數據，空口層面僅僅啟用了加密，并沒有像控制面數據一樣，強制進行完整性保護。

這使得通過對運營商LTE網絡中eNodeB與終端（手機等）之間的無線鏈路進行擊，遠程利用此漏洞，可以篡改用戶的IP數據報文，作者將這個漏洞命名為ALTER攻擊。威脅更大的是，可以在無線電波層面，對LTE用戶進行DNS spoof攻擊。

關于LTE空口的用戶面與控制面

LTE的控制面用于傳輸信令，而數據面則用于傳輸用戶的業(yè)務數據，例如承載語音通話，網頁瀏覽的IP報文數據。

LTE中加密和完整性保護在PDCP層實現，下面兩個圖分別為LTE空中接口（uu接口）控制面和用戶面PDCP層功能示意圖。

圖 2 LTE 控制面PDCP層功能示意圖

圖 3 LTE 用戶面 PDCP 層功能示意圖

對比這兩個圖，可以看到在LTE空中接口的控制面有加密和完整性保護，而在用戶面則只有加密。事實上這個用戶面加密在LTE標準中是可選的，當然運營商在部署時通常都會啟用加密，但是該漏洞卻與是否加密沒有任何關系，問題在于沒有使用完整性保護。

0x01 攻擊過程及原理

硬件平臺

圖 4 LTE 惡意中繼示意圖

實現這個攻擊核心組件是LTE中繼（Relay），即在運營商eNodeB和手機之間插入一個LTE惡意中繼，惡意中繼由一個偽eNodeB和一個偽UE（終端，類似手機）組成。下行鏈路中，運營商eNodeB給真實UE（用戶手機）發(fā)送的數據被偽UE接收，通過偽eNodeB發(fā)送給真實UE。上行鏈路中，真實UE給運營商eNodeB發(fā)送的數據則被偽eNodeB接收，通過偽UE發(fā)送給運營商的eNodeB。這樣所有真實UE與運營商之間的數據都會通過中繼。

實現原理

當LTE網路啟用用戶面加密時，要發(fā)起攻擊，首先需要解決的是在空口上繞過加密算法，修改IP報文數據。

LTE加密原理

從常規(guī)思維看，分組對稱加密算法的密文只要被修改一個bit，會導致在解密時，分組中至少一半以上的bits放生變化，這是評價加密算法好壞的一個標準。從這個角度看，在LTE用戶面啟用加密時，似乎針對密文進行修改，并不會帶來什么危害，數據頂多在惡意中繼那透明的通過，惡意中繼也無法解密，也無法受控的通過篡改密文達到修改明文的目的。然而這個思路對于流式加密并不適用，而LTE用戶面數據恰好采用的是流式加密。

圖 5 LTE 用戶面數據加密/解密示意圖

如圖所示，LTE 的流式加密過程中，秘鑰流生成器利用AS key等一系列的參數產生密鑰流，秘鑰流與明文流異或后得到密文c。解密時則用秘鑰流和密文流c異或得到明文m。

加密
Keystream XOR m = c;
解密
Keystream XOR c= m;

發(fā)送端和接收端使用相同的AES key 即相同的算法產生keystream。

2 繞過加密任意篡改數據包

圖 6 插入攻擊者之后的 LTE 用戶面數據加密/解密示意圖

上圖為插入攻擊者之后的LTE用戶面數據加解密示意圖，假定用特定的掩碼mask和密文流c異或的到密文流c’，解密的時候得到的明文流為m’。

這個過程可以描述為

mask XOR c = c’;
Keystream XOR c’ = m’;

經過簡單推導

Keystream XOR c’ XOR m = m’ XOR m;
Keystream XOR c’ XOR ( Keystream XOR c) = m’ XOR m;
Keystream XOR (Mask XOR c) XOR ( Keystream XOR c) = m’ XOR m;

可得到

Mask = m’ XOR m;

如果知道數據報文的原始明文，就可以得到篡改掩碼Mask。
而對于移動數據網絡，同一個運營商，同一個區(qū)域的DNS一般是固定的，很容易得到，所以大致可以猜測出DNS數據包的明文。然而，要做到DNS spoof攻擊，只需要修改UE發(fā)送的DNS請求中的IP地址而已，而IP地址在PDCP數據包中的偏移也是固定的，這使得修改操作更容易?，F在遺留的問題變?yōu)樵趺丛诒姸郟DCP幀中定位到DNS數據包。

3 定位DNS數據包

DNS請求數據一般比較短，可以嘗試通過長度來區(qū)分，但是需要注意的是如何將同樣短的TCP SYN請求與DNS請求區(qū)分開來，作者通過大數據的方式，統(tǒng)計了移動網絡中DNS請求的長度分布，分布圖如下：

從這個圖中可以看到下行DNS請求回應的長度與PDCP其他幀的長度有非常明顯的區(qū)分度，毫不費力的可以區(qū)分出來，而對于上行的DNS請求，則可以通過猜測的方式，即對疑似DNS請求報文修改目標IP地址到自己控制的惡意DNS服務器，觀察是否檢測到DNS請求回應，如果收到回應，則說明修改的是一個DNS包，這個方法準確率很高。

4 IP頭檢驗和的處理

修改IP后，會導致IP包的校驗和改變，這里還得處理校驗和，這里作者使用了修改TTL去補償IP變動以保證整個IP頭校驗和不變的方法。我們知道TTL會隨著IP包經過的路由逐跳減小。而對于上行鏈路空口截獲的IP包從UE出來之后顯然還沒有經過任何路由，所以TTL還是默認值，這個默認值可以從UE操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧的默認設置中得到。而對于下行鏈路，我們不知道IP報文從我們的惡意DNS服務器發(fā)出后經過了多少路由，修改TTL補償校驗和的方式行不通，這里作者通過修改IP頭中的標識區(qū)域來做補償。

5 UDP校驗和處理

對于上行鏈路，由于最終計算UDP校驗和的程序顯然在攻擊者控制的惡意DNS服務器上，因此可以通過修改協(xié)議棧源碼的方式直接忽略。

對于下行鏈路，修改DNS服務器協(xié)議棧將UDP校驗和直接設為0，DNS回應依然有效。

到此校驗和問題解決。篡改LTE用戶面數據的坑已經填完，整個攻擊的原理也闡述完畢。

0x02 威脅范圍

由于該漏洞由LTE標準引入，針對于所有從LTE 演變而來的其他網絡，例如NB-IoT,LTE-V，以及未來的5G（依然沒有啟動強制性的用戶面完整性保護），都有影響。

與WIFI下的DNS spoof釣魚攻擊相比，LTE空口DNS spoof實現難度雖然要大得多，但攻擊范圍卻比WIFI要大，LTE攻擊并不需要像WIFI攻擊一樣，需要先破解預共享秘鑰，因此拋開實現難度問題，成功率和覆蓋面都比WIFI下的釣魚攻擊要強，威脅也更大。

由于該攻擊發(fā)生于數據鏈路層，任何上層協(xié)議針對DNS可用的防護措施，例如DNSSEC，DTLS等在這里都將失效。唯一解決方案是修改LTE標準。目前已有部分運營商和設備商表示，要推動LTE標準修復這個漏洞。

上述就是小編為大家分享的怎么實現LTE空口用戶面數據任意篡改漏洞分析了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關知識，歡迎關注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

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