L’attaque du porte-clé intercepteur
Publié le 29 juin 2017

Lors de la quinzième édition de la Nuit du Hack, qui avait lieu ce week-end au New York Hotel de Disneyland Paris, j’ai présenté un moyen simple et pas cher de concevoir un équipement permettant de réaliser des attaques sur le protocole Bluetooth Low Energy (BLE), voire de simuler le comportement de n’importe quel équipement BLE. Je n’ai pas eu le temps d’entrer dans les détails, aussi vais-je le faire dans ce billet de blog.

Recyclage de Gablys

Cela fait quelques années que je cotoie des Gablys, des porte-clés connectés en BLE à des smartphones permettant de détecter la perte de clés ou d’objets, qui peut accessoirement être utilisé comme télécommande pour déclencher des selfies ou retrouver son smartphone égaré (une fonction de localisation inversée, en quelque sorte).

Un Gablys est assez simple : l’ensemble repose sur un transceiver de Nordic Semiconductor capable de communiquer en BLE, le nRF51822. Ce transceiver intègre un CPU ARM ainsi qu’une mémoire Flash de 256Kio, et a la particularité d’être débuggable et programmable via OpenOCD. De plus, il possède de base un bouton poussoir ainsi qu’un buzzer piezzo, qui permettent une interaction utilisateur (quoique l’on peut s’en passer selon les usages).

Les avantages du nRF51822 sont multiples :

Bref, il est dès lors possible de reprogrammer un Gablys afin de lui faire faire ce que l’on veut, à l’aide d’outils standards.

Installation des logiciels nécessaires

Pour réussir à développer et tester un firmware opensource pour Gablys, j’ai commencé par télécharger la version 11.0 du SDK de Nordic Semiconductor. Pourquoi la version 11.0 me direz-vous ? Parce que c’était celle a priori employée pour développer le firmware original de la bête. Notez que la dernière version du SDK devrait tout aussi bien fonctionner, mais il faudra prendre en compte les évolutions des fonctions exposées par ce dernier.

Tout d’abord, on télécharge la version voulue du SDK (la version 12.0 par exemple sur le site de Nordic Semiconductor. On dézippe le fichier dans un dossier prévu à cet effet :

$ unzip nRF5_SDK_12.3.0_d7731ad.zip
$ mv nRF5_SDK_12.3.0_d7731ad nrf5-sdk

Il nous faut ensuite installer la toolchain ARM et en ce qui me concerne j’ai préféré installer une version à jour plutôt que celle de ma debian, en la téléchargeant directement à partir du site d’ARM. J’en ai profité pour la décompresser dans un dossier à part, nommé toolchain :

$ cd nrf5-sdk && mkdir toolchain && cd toolchain
$ wget "https://developer.arm.com/-/media/Files/downloads/gnu-rm/6_1-2017q1/gcc-arm-none-eabi-6-2017-q1-update-linux.tar.bz2?product=GNU%20ARM%20Embedded%20Toolchain,64-bit,,Linux,6-2017-q1-update"
$ tar xvjf gcc-arm-none-eabi-6-2017-q1-update-linux.tar.bz2

Une fois la toolchain ARM décompressée, il suffit de la déclarer dans le fichier components/toolchain/gcc/Makefile.posix du SDK Nordic Semiconductor :

GNU_INSTALL_ROOT := /home/virtualabs/nrf5-sdk/toolchain/gcc-arm-none-eabi-6-2017-q1-update/
GNU_VERSION := 6.3.1
GNU_PREFIX := arm-none-eabi

Enfin, il nous faut ajouter une configuration particulière pour notre Gablys dans le fichier examples/bsp/gablys.h. Pour ce faire, il suffit de copier un fichier de configuration existant :

$ cp pca20006.h gablys.h

Nous en profitons pour ajouter une ligne dans le fichier boards.h du même dossier afin de déclarer notre board :

...

#elif defined(BOARD_N5DK1)
 #include "n5_starterkit.h"
#elif defined(BOARD_GABLYS)
 #include "gablys.h"
#elif defined(BOARD_CUSTOM)
 #include "custom_board.h"
#else
#error "Board is not defined"

...

Puis de modifier la fin du fichier afin de ne pas utiliser de quartz basse-fréquence, absent sur notre Gablys :

// Low frequency clock source to be used by the SoftDevice
#define NRF_CLOCK_LFCLKSRC      {                      \
   .source        = NRF_CLOCK_LF_SRC_RC,            \
   .rc_ctiv       = 16,                                                 \
   .rc_temp_ctiv  = 2,                                               \
  .xtal_accuracy = NRF_CLOCK_LF_XTAL_ACCURACY_250_PPM \
}

De cette manière, tous les codes exemples fonctionneront sans problème avec notre Gablys, ce dernier ne possédant pas d’oscillateur basse-fréquence. Il est alors temps de lancer notre première compilation, et voir si ces modifications portent leurs fruits.

Première compilation

Pour essayer notre configuration, nous allons tenter de compiler une application BLE sur mesure, ble_app_beacon. Pour ce faire, nous allons ajouter une configuration propre à notre Gablys, et faire en sorte de tout configurer pour que cela compile correctement.

Dans un premier temps, il nous faut créer une arborescence sur mesure :

$ cd nrf5-sdk/examples/ble_peripheral/ble_app_beacon/
$ mkdir -p gablys/s130/armgcc/
$ cp pca20006/s130/config ./gablys/s130/ -rf
$ cp pca20006/s130/armgcc ./gablys/s130/armgcc -rf

Puis nous éditons dans un premier temps le fichier Makefile situé dans le dossier gablys/s130/armgcc/, afin de déclarer notre board plutôt que celle d’origine (PCA20006). Pour ce faire, il faut changer les options de compilation -DBOARD_PCA20006 en -DBOARD_GABLYS :

# Libraries common to all targets
LIB_FILES += \

# C flags common to all targets
CFLAGS += -DSWI_DISABLE0
CFLAGS += -DSOFTDEVICE_PRESENT
CFLAGS += -DNRF51
CFLAGS += -DNRF51822
CFLAGS += -DS130
CFLAGS += -DBLE_STACK_SUPPORT_REQD
CFLAGS += -DBOARD_GABLYS
CFLAGS += -DNRF_SD_BLE_API_VERSION=2
CFLAGS += -mcpu=cortex-m0
CFLAGS += -mthumb -mabi=aapcs
CFLAGS +=  -Wall -Werror -O3 -g3
CFLAGS += -mfloat-abi=soft
# keep every function in separate section, this allows linker to discard unused ones
CFLAGS += -ffunction-sections -fdata-sections -fno-strict-aliasing
CFLAGS += -fno-builtin --short-enums

# C++ flags common to all targets
CXXFLAGS += \

# Assembler flags common to all targets
ASMFLAGS += -x assembler-with-cpp
ASMFLAGS += -DSWI_DISABLE0
ASMFLAGS += -DSOFTDEVICE_PRESENT
ASMFLAGS += -DNRF51
ASMFLAGS += -DNRF51822
ASMFLAGS += -DS130
ASMFLAGS += -DBLE_STACK_SUPPORT_REQD
ASMFLAGS += -DBOARD_GABLYS
ASMFLAGS += -DNRF_SD_BLE_API_VERSION=2

Et on lance la compilation avec make :

$ make
mkdir _build
Compiling file: nrf_log_backend_serial.c
Compiling file: nrf_log_frontend.c
Compiling file: app_button.c
Compiling file: app_error.c
Compiling file: app_error_weak.c
Compiling file: app_timer.c
Compiling file: app_util_platform.c
Compiling file: hardfault_implementation.c
Compiling file: nrf_assert.c
Compiling file: sdk_errors.c
Compiling file: boards.c
Compiling file: nrf_drv_clock.c
Compiling file: nrf_drv_common.c
Compiling file: nrf_drv_gpiote.c
Compiling file: nrf_drv_uart.c
Compiling file: bsp.c
Compiling file: bsp_nfc.c
Compiling file: main.c
Compiling file: RTT_Syscalls_GCC.c
Compiling file: SEGGER_RTT.c
Compiling file: SEGGER_RTT_printf.c
Compiling file: ble_advdata.c
Compiling file: ble_conn_params.c
Compiling file: ble_srv_common.c
Assembling file: gcc_startup_nrf51.S
Compiling file: system_nrf51.c
Compiling file: softdevice_handler.c
Linking target: _build/nrf51822_xxaa.out

  text           data            bss            dec            hex        filename
 11808            136            616          12560           3110        _build/nrf51822_xxaa.out

Preparing: _build/nrf51822_xxaa.hex
Preparing: _build/nrf51822_xxaa.bin

Le code compile parfaitement, et le Makefile produit un fichier binaire ainsi qu’un fichier au format ihex, dont nous allons nous servir pour programmer le nRF51822 présent sur le Gablys.

Programmation du Gablys

Le Makefile standard est fait pour fonctionner avec l’outil nrfjprog, cependant il est possible de le faire fonctionner avec OpenOCD et un STLink v2 à la chinoise.

Première étape, installer OpenOCD. La version 0.10.0 tirée de Github fera l’affaire. Vous pouvez tout aussi bien l’installer via les paquets standards de votre distribution, cela devrait fonctionner de la même façon.

On modifie donc la fin de notre fichier Makefile pour y intégrer deux cibles : la première nommée flash permettant de flasher l’application, la seconde nommée flash_softdevice permettant de flasher le SoftDevice[1].

flash: nrf51822_xxaa
        @echo Flashing: $(OUTPUT_BINARY_DIRECTORY)/$<.hex
        openocd -f interface/stlink-v2.cfg -f target/nrf51.cfg -c init -c "reset init" -c "halt" -c "program _build/nrf51822_xxaa.hex verify" -c "reset" -c "exit"

## Flash softdevice
flash_softdevice:
        @echo Flashing SoftDevice s130 ...
        openocd -f interface/stlink-v2.cfg -f target/nrf51.cfg -c init -c "reset init" -c "halt" -c "nrf51 mass_erase" -c "program $(abspath ../../../../../../components/softdevice/s130/hex/s130_nrf51_2.0.1_softdevice.hex) verify" -c "reset" -c "exit"

Ensuite, il faut connecter correctement le STLink à notre Gablys :

Puis flasher d’abord le SoftDevice, et ensuite l’application :

$ make flash_softdevice && make flash
Flashing SoftDevice s130 ...
openocd -f interface/stlink-v2.cfg -f target/nrf51.cfg -c init -c "reset init" -c "halt" -c "nrf51 mass_erase" -c "program /home/virtualabs/nrf5-sdk/components/softdevice/s130/hex/s130_nrf51_2.0.1_softdevice.hex verify" -c "reset" -c "exit"
Open On-Chip Debugger 0.10.0+dev-00146-g1025be36 (2017-06-16-16:35)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
        http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
Info : auto-selecting first available session transport "hla_swd". To override use 'transport select <transport>'.
Info : The selected transport took over low-level target control. The results might differ compared to plain JTAG/SWD
adapter speed: 1000 kHz
Info : Unable to match requested speed 1000 kHz, using 950 kHz
Info : Unable to match requested speed 1000 kHz, using 950 kHz
Info : clock speed 950 kHz
Info : STLINK v2 JTAG v17 API v2 SWIM v4 VID 0x0483 PID 0x3748
Info : using stlink api v2
Info : Target voltage: 3.246408
Info : nrf51.cpu: hardware has 4 breakpoints, 2 watchpoints
target halted due to debug-request, current mode: Thread
xPSR: 0xc1000000 pc: 0x000006d0 msp: 0x000007c0
Info : nRF51822-QFAA(build code: G2) 256kB Flash
target halted due to debug-request, current mode: Thread
xPSR: 0xc1000000 pc: 0xfffffffe msp: 0xfffffffc
** Programming Started **
auto erase enabled
Info : Padding image section 0 with 2112 bytes
Warn : using fast async flash loader. This is currently supported
Warn : only with ST-Link and CMSIS-DAP. If you have issues, add
Warn : "set WORKAREASIZE 0" before sourcing nrf51.cfg to disable it
target halted due to breakpoint, current mode: Thread
xPSR: 0x61000000 pc: 0x2000001e msp: 0xfffffffc
wrote 110592 bytes from file /home/virtualabs/nrf5-sdk/components/softdevice/s130/hex/s130_nrf51_2.0.1_softdevice.hex in 4.979112s (21.691 KiB/s)
** Programming Finished **
** Verify Started **
target halted due to breakpoint, current mode: Thread
xPSR: 0x61000000 pc: 0x2000002e msp: 0xfffffffc
target halted due to breakpoint, current mode: Thread
xPSR: 0x61000000 pc: 0x2000002e msp: 0xfffffffc
verified 108448 bytes in 0.698049s (151.717 KiB/s)
** Verified OK **
Flashing: /nrf51822_xxaa.hex
openocd -f interface/stlink-v2.cfg -f target/nrf51.cfg -c init -c "reset init" -c "halt" -c "program _build/nrf51822_xxaa.hex verify" -c "reset" -c "exit"
Open On-Chip Debugger 0.10.0+dev-00146-g1025be36 (2017-06-16-16:35)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, read
        http://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html
Info : auto-selecting first available session transport "hla_swd". To override use 'transport select <transport>'.
Info : The selected transport took over low-level target control. The results might differ compared to plain JTAG/SWD
adapter speed: 1000 kHz
Info : Unable to match requested speed 1000 kHz, using 950 kHz
Info : Unable to match requested speed 1000 kHz, using 950 kHz
Info : clock speed 950 kHz
Info : STLINK v2 JTAG v17 API v2 SWIM v4 VID 0x0483 PID 0x3748
Info : using stlink api v2
Info : Target voltage: 3.246408
Info : nrf51.cpu: hardware has 4 breakpoints, 2 watchpoints
target halted due to debug-request, current mode: Thread
xPSR: 0xc1000000 pc: 0x000006d0 msp: 0x000007c0
target halted due to debug-request, current mode: Thread
xPSR: 0xc1000000 pc: 0x000006d0 msp: 0x000007c0
** Programming Started **
auto erase enabled
Info : nRF51822-QFAA(build code: G2) 256kB Flash
Warn : using fast async flash loader. This is currently supported
Warn : only with ST-Link and CMSIS-DAP. If you have issues, add
Warn : "set WORKAREASIZE 0" before sourcing nrf51.cfg to disable it
target halted due to breakpoint, current mode: Thread
xPSR: 0x61000000 pc: 0x2000001e msp: 0x000007c0
wrote 12288 bytes from file _build/nrf51822_xxaa.hex in 0.589847s (20.344 KiB/s)
** Programming Finished **
** Verify Started **
target halted due to breakpoint, current mode: Thread
xPSR: 0x61000000 pc: 0x2000002e msp: 0x000007c0
verified 11944 bytes in 0.088029s (132.503 KiB/s)
** Verified OK **

La programmation du SoftDevice et de l’application se sont bien déroulées, tout comme la vérification de la bonne écriture du code. De base, le CPU a été remis à zéro après la programmation, et si vous avez laissé votre Gablys connecté, celui-ci doit annoncer un périphérique BLE ressemblant à un beacon.

Il est temps d’aller plus loin dans le code source, afin d’implémenter quelque chose d’utile !

Firmware opensource pour Gablys

J’ai profité de l’occasion pour développer un firmware opensource pour Gablys, réimplémentant les principaux services et leurs characteristics, et se comportant presque à l’identique. Le code source de ce firmware est disponible sur Github. Ce dernier peut être compilé et flashé comme décrit précédemment.

En pratique, les services propres au Gablys sont implémentés dans le fichier gss/gss.c, dont la fonction ble_gss_init a pour rôle la création et l’initialisation de l’ensemble de ces services et des characteristics associées. A noter l’astuce avec le SDK Nordic pour déclarer un service ayant un UUID sur 128 bits :

  1. static const ble_uuid128_t m_btn_uuid128 =
  2. {
  3. {
  4. 0x45, 0xfa, 0x56, 0xc1, 0xfb, 0x1b, 0xc0, 0x28,
  5. 0x96, 0xa8, 0x67, 0x18, 0x01, 0x28, 0x17, 0x4f
  6. }
  7. };
  8.  
  9. /* ... du code ici ... */
  10.  
  11. /* Add Gablys Button service. */
  12. ble_btn_uuid.uuid = GSS_BTN_SERVICE_UUID;
  13. err_code = sd_ble_uuid_vs_add(&m_btn_uuid128, &ble_btn_uuid.type);
  14. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  15.  
  16. err_code = sd_ble_gatts_service_add(BLE_GATTS_SRVC_TYPE_PRIMARY,
  17. &ble_btn_uuid,
  18. &p_gss->btn_service_handle);
  19.  
  20. if (err_code != NRF_SUCCESS)
  21. {
  22. return err_code;
  23. }

Télécharger

Enfin, la stack BLE est initialisée dans le fichier main.c, grâce à la fonction ble_stack_init :

  1. static void ble_stack_init(void)
  2. {
  3. uint32_t err_code;
  4.  
  5. nrf_clock_lf_cfg_t clock_lf_cfg = NRF_CLOCK_LFCLKSRC;
  6.  
  7. // Initialize the SoftDevice handler module.
  8. SOFTDEVICE_HANDLER_INIT(&clock_lf_cfg, NULL);
  9.  
  10. ble_enable_params_t ble_enable_params;
  11. err_code = softdevice_enable_get_default_config(CENTRAL_LINK_COUNT,
  12. PERIPHERAL_LINK_COUNT,
  13. &ble_enable_params);
  14. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  15.  
  16. //Check the ram settings against the used number of links
  17. CHECK_RAM_START_ADDR(CENTRAL_LINK_COUNT,PERIPHERAL_LINK_COUNT);
  18.  
  19. // Enable BLE stack.
  20. sd_ble_enable(&ble_enable_params, &app_ram_base);
  21. ble_enable_params.common_enable_params.vs_uuid_count = 10;
  22. err_code = softdevice_enable(&ble_enable_params);
  23. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  24.  
  25. // Register with the SoftDevice handler module for BLE events.
  26. err_code = softdevice_ble_evt_handler_set(ble_evt_dispatch);
  27. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  28.  
  29. // Register with the SoftDevice handler module for BLE events.
  30. err_code = softdevice_sys_evt_handler_set(sys_evt_dispatch);
  31. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  32. }

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C’est d’ailleurs dans cette fonction que l’on peut rajouter du code permettant d’usurper une adresse MAC, comme ci-dessous :

  1. static void ble_stack_init(void)
  2. {
  3. uint32_t err_code;
  4. ble_gap_addr_t address;
  5.  
  6. address.addr_type = BLE_GAP_ADDR_TYPE_PUBLIC;
  7. address.addr[0] = 0xFE;
  8. address.addr[1] = 0xFE;
  9. address.addr[2] = 0xC0;
  10. address.addr[3] = 0x15;
  11. address.addr[4] = 0x4D;
  12. address.addr[5] = 0xDE;
  13.  
  14. nrf_clock_lf_cfg_t clock_lf_cfg = NRF_CLOCK_LFCLKSRC;
  15.  
  16. // Initialize the SoftDevice handler module.
  17. SOFTDEVICE_HANDLER_INIT(&clock_lf_cfg, NULL);
  18.  
  19. ble_enable_params_t ble_enable_params;
  20. err_code = softdevice_enable_get_default_config(CENTRAL_LINK_COUNT,
  21. PERIPHERAL_LINK_COUNT,
  22. &ble_enable_params);
  23. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  24.  
  25. //Check the ram settings against the used number of links
  26. CHECK_RAM_START_ADDR(CENTRAL_LINK_COUNT,PERIPHERAL_LINK_COUNT);
  27.  
  28.  
  29. // Enable BLE stack.
  30. sd_ble_enable(&ble_enable_params, &app_ram_base);
  31. ble_enable_params.common_enable_params.vs_uuid_count = 10;
  32. err_code = softdevice_enable(&ble_enable_params);
  33. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  34.  
  35. sd_ble_gap_address_set(BLE_GAP_ADDR_CYCLE_MODE_NONE, &address);
  36.  
  37. // Register with the SoftDevice handler module for BLE events.
  38. err_code = softdevice_ble_evt_handler_set(ble_evt_dispatch);
  39. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  40.  
  41. // Register with the SoftDevice handler module for BLE events.
  42. err_code = softdevice_sys_evt_handler_set(sys_evt_dispatch);
  43. APP_ERROR_CHECK(err_code);
  44. }

Télécharger

Une fois compilé et flashé, le nouvel équipement est visible avec l’adresse MAC DE:4D:15:C0:FE:FE, comme le montre l’exemple ci-dessous (testé avec l’exemple beacon et non le firmware opensource) :

Vous vous imaginez bien à ce stade de la lecture qu’il n’est pas très difficile de recréer n’importe quel équipement Bluetooth Low Energy à partir de ce petit porte-clé, et qu’avec un peu d’imagination et de temps on pourrait mettre à mal la sécurité de quelques équipements, voire réaliser des attaques très ciblées sur des périphériques communiquant en BLE.

Ok, et quoi d’autre ?

Nous avons démontré qu’il était possible d’utiliser un Gablys comme plateforme de développement peu onéreuse, à l’aide de logiciels libres et d’équipement à bas coût (STLink v2 notamment), et de profiter des avantages de ce dernier : il est petit, peu gourmand en énergie, programmable à volonté et alimenté par une pile bouton !

Il est dès lors possible de le mettre dans une poche et de simuler un équipement existant jusqu’à utiliser la même adresse Bluetooth (MAC), disons par exemple un cadenas connecté, et d’amener une application sur smartphone à transmettre à ce faux cadenas un code confidentiel (cette dernière faisant confiance à l’adresse Bluetooth du cadenas), comme je l’ai démontré l’année dernière lors de la Nuit du Hack.

J’ai placé le SDK modifié avec les examples cités dans cet article sur un repository spécifique, si certains d’entre vous veulent tester sans tout modifier à la main.

[1] Pour plus d’information sur les SoftDevice de NordicSemiconductor, consulter la page dédiée sur le site du fondeur