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Text File  |  2000-02-06  |  14.1 KB  |  263 lines

  1.  
  2.           THE ELECTRONIC SERIAL NUMBER: A CELLULAR 'SIEVE'?
  3.               'SPOOFERS' CAN DEFRAUD USERS AND CARRIERS
  4.  
  5.    by Geoffrey S. Goodfellow, Robert N. Jesse, and Andrew H. Lamothe, Jr.
  6.  
  7. What's the greatest security problem with cellular phones? Is it privacy of
  8. communications?  No.
  9.  
  10. Although privacy is a concern, it will pale beside an even greater problem:
  11. spoofing.
  12.  
  13. 'Spoofing' is the process through which an agent (the 'spoofer') pretends to
  14. be somebody he isn't by proffering false identification, usually with intent
  15. to defraud.  This deception, which cannot be protected against using the
  16. current U.S. cellular standards, has the potential to create a serious
  17. problem--unless the industry takes steps to correct some loopholes in the
  18. present cellular standards.
  19.  
  20. Compared to spoofing, the common security concern of privacy is not so severe.
  21. Most cellular subscribers would, at worst, be irked by having their
  22. conversational privacy violated.  A smaller number of users might actually
  23. suffer business or personal harm if their confidential exchanges were
  24. compromised.  For them, voice encryption equipment is becoming increasingly
  25. available if they are willing to pay the price for it.
  26.  
  27. Thus, even though technology is available now to prevent an interloper from
  28. overhearing sensitive conversations, cellular systems cannot--at any
  29. cost--prevent pirates from charging calls to any account. This predicament is
  30. not new to the industry.  Even though cellular provides a modern,
  31. sophisticated quality mobile communications service, it is not fundamentally
  32. much safer than older forms of mobile telephony.
  33.  
  34. History of Spoofing Vulnerability
  35.  
  36. The earliest form of mobile telephony, unsquelched manual Mobile Telephone
  37. Service (MTS), was vulnerable to interception and eavesdropping.  To place a
  38. call, the user listened for a free channel.  When he found one, he would key
  39. his microphone to ask for service: 'Operator, this is Mobile 1234; may I please
  40. have 555-7890.'  The operator knew to submit a billing ticket for account
  41. number 1234 to pay for the call.  So did anybody else listening to the
  42. channel--hence the potential for spoofing and fraud.
  43.  
  44. Squelched channel MTS hid the problem only slightly because users ordinarily
  45. didn't overhear channels being used by other parties.  Fraud was still easy
  46. for those who turned off the squelch long enough to overhear account numbers.
  47.  
  48. Direct-dial mobile telephone services such as Improved Mobile Telephone
  49. Service (IMTS) obscured the problem a bit more because subscriber
  50. identification was made automatically rather than by spoken exchange between
  51. caller and operator.  Each time a user originated a call, the mobile telephone
  52. transmitted its identification number to the serving base station using some
  53. form of Audio Frequency Shift Keying (AFSK), which was not so easy for
  54. eavesdroppers to understand.
  55.  
  56. Committing fraud under IMTS required modification of the mobile--restrapping
  57. of jumpers in the radio unit, or operating magic keyboard combinations in
  58. later units--to reprogram the unit to transmit an unauthorized identification
  59. number. Some mobile control heads even had convenient thumb wheel switches
  60. installed on them to facilitate easy and frequent ANI (Automatic Number
  61. Identification) changes.
  62.  
  63. Cellular Evolution
  64.  
  65. Cellular has evolved considerably from these previous systems.  Signaling
  66. between mobile and base stations uses high-speed digital techniques and
  67. involves many different types of digital messages.  As before, the cellular
  68. phone contains its own Mobile Identification Number (MIN), which is programmed
  69. by the seller or service shop and can be changed when, for example, the phones
  70. sold to a new user.  In addition, the U.S. cellular standard incorporates a
  71. second number, the 'Electronic Serial Number' (ESN), which is intended to
  72. uniquely and permanently identify the mobile unit.
  73.  
  74. According to the Electronic Industries Association (EIA) Interim Standard
  75. IS-3-B, Cellular System Mobile Station--Land Station Compatibility
  76. Specification (July 1984), 'The serial number is a 32-bit binary number that
  77. uniquely identifies a mobile station to any cellular system.  It must be
  78. factory-set and not readily alterable in the field.  The circuitry that
  79. provides the serial number must be isolated from fraudulent contact and
  80. tampering.  Attempts to change the serial number circuitry should render the
  81. mobile station inoperative.'
  82.  
  83. The ESN was intended to solve two problems the industry observed with its
  84. older systems.
  85.  
  86. First, the number of subscribers that older systems could support fell far
  87. short of the demand in some areas, leading groups of users to share a single
  88. mobile number (fraudulently) by setting several phones to send the same
  89. identification.  Carriers lost individual user accountability and their means
  90. of predicting and controlling traffic on their systems.
  91.  
  92. Second, systems had no way of automatically detecting use of stolen equipment
  93. because thieves could easily change the transmitted identification.
  94.  
  95. In theory, the required properties of the ESN allow cellular systems to check
  96. to ensure that only the correctly registered unit uses a particular MIN, and
  97. the ESNs of stolen units can be permanently denied service ('hot-listed').
  98. This measure is an improvement over the older systems, but vulnerabilities
  99. remain.
  100.  
  101. Ease of ESN Tampering
  102.  
  103. Although the concept of the unalterable ESN is laudable in theory, weaknesses
  104. are apparent in practice.  Many cellular phones are not constructed so that
  105. 'attempts to change the serial number circuitry renders the mobile station
  106. inoperative.'  We have personally witnessed the trivial swapping of one ESN
  107. chip for another in a unit that functioned flawlessly after the switch was
  108. made.
  109.  
  110. Where can ESN chips be obtained to perform such a swap?  We know of one recent
  111. case in the Washington, D.C. area in which an ESN was 'bought' from a local
  112. service shop employee in exchange for one-half gram of cocaine.  Making the
  113. matter simpler, most manufacturers are using industry standard Read-Only
  114. Memory (ROM) chips for their ESNs, which are easily bought and programmed or
  115. copied.
  116.  
  117. Similarly, in the spirit of research, a west coast cellular carrier copied the
  118. ESN from one manufacturer's unit to another one of the same type and
  119. model--thus creating two units with the exact same identity.
  120.  
  121. The ESN Bulletin Board
  122.  
  123. For many phones, ESN chips are easy to obtain, program, and install.  How does
  124. a potential bootlegger know which numbers to use?  Remember that to obtain
  125. service from a system, a cellular unit must transmit a valid MIN (telephone
  126. number) and (usually) the corresponding serial number stored in the cellular
  127. switch's database.
  128.  
  129. With the right equipment, the ESN/MIN pair can be read right off the air
  130. because the mobile transmits it each time it originates a call.  Service shops
  131. can capture this information using test gear that automatically receives and
  132. decodes the reverse, or mobile-to-base, channels.
  133.  
  134. Service shops keep ESN/MIN records on file for units they have sold or
  135. serviced, and the carriers also have these data on all of their subscribers.
  136. Unscrupulous employees could compromise the security of their customers'
  137. telephones.
  138.  
  139. In many ways, we predict that 'trade' in compromised ESN/MIN pairs will
  140. resemble what currently transpires in the long distance telephone business
  141. with AT&T credit card numbers and alternate long-distance carrier (such as
  142. MCI, Sprint and Alltel) account codes.  Code numbers are swapped among
  143. friends, published on computer 'bulletin boards' and trafficked by career
  144. criminal enterprises.
  145.  
  146. Users whose accounts are being defrauded might--or might not--eventually
  147. notice higher-than-expected bills and be reassigned new numbers when they
  148. complain to the carrier.  Just as in the long distance business, however, this
  149. number 'turnover' (deactivation) won't happen quickly enough to make abuse
  150. unprofitable.  Catching pirates in the act will be even tougher than it is in
  151. the wireline telephone industry because of the inherent mobility of mobile
  152. radio.
  153.  
  154. Automating Fraud
  155.  
  156. Computer hobbyists and electronics enthusiasts are clever people.  Why should
  157. a cellular service thief 'burn ROMs' and muck with hardware just to install
  158. new IDs in his radio?  No Herculean technology is required to 'hack' a phone
  159. to allow ESN/MIN programming from a keyboard, much like the IMTS phone thumb
  160. wheel switches described above.
  161.  
  162. Those not so technically inclined may be able to turn to mail-order
  163. entrepreneurs who will offer modification kits for cellular fraud, much as
  164. some now sell telephone toll fraud equipment and pay-TV decoders.
  165.  
  166. At least one manufacturer is already offering units with keyboard-programmable
  167. MINs.  While intended only for the convenience of dealers and service shops,
  168. and thus not described in customer documentation, knowledgeable and/or
  169. determined end users will likely learn the incantations required to operate
  170. the feature.  Of course this does not permit ESN modification, but easy MIN
  171. reprogrammability alone creates a tremendous liability in today's roaming
  172. environment.
  173.  
  174. The Rolls Royce of this iniquitous pastime might be a 'Cellular Cache-Box.'
  175. It would monitor reverse setup channels and snarf ESN/MIN pairs off the air,
  176. keeping a list in memory.  Its owner could place calls as on any other
  177. cellphone.  The Cache-Box would automatically select an ESN/MIN pair from its
  178. catalog, use it once and then discard it, thus distributing its fraud over
  179. many accounts.  Neither customer nor service provider is likely to detect the
  180. abuse, much less catch the perpetrator.
  181.  
  182. As the history of the computer industry shows, it is not far-fetched to
  183. predict explosive growth in telecommunications and cellular that will bring
  184. equipment prices within reach of many experimenters.  Already we have seen the
  185. appearance of first-generation cellular phones on the used market, and new
  186. units can be purchased for well under $1000 in many markets.
  187.  
  188. How High The Loss?
  189.  
  190. Subscribers who incur fraudulent charges on their bills certainly can't be
  191. expected to pay them.  How much will fraud cost the carrier?  If the charge is
  192. for home-system airtime only, the marginal cost to the carrier of providing
  193. that service is not as high as if toll charges are involved.  In the case of
  194. toll charges, the carrier suffers a direct cash loss.  The situation is at its
  195. worst when the spoofer pretends to be a roaming user.  Most inter-carrier
  196. roaming agreements to date make the user's home carrier (real or spoofed)
  197. responsible for charges, who would then be out hard cash for toll and airtime
  198. charges.
  199.  
  200. We have not attempted to predict the dollar losses this chicanery might
  201. generate because there isn't enough factual information information for anyone
  202. to guess responsibly.  Examination of current estimates of long-distance-toll
  203. fraud should convince the skeptic.
  204.  
  205. Solutions
  206.  
  207. The problems we have described are basically of two types.  First, the ESN
  208. circuitry in most current mobiles is not tamper-resistant, much less
  209. tamper-proof.  Second and more importantly, the determined perpetrator has
  210. complete access to all information necessary for spoofing by listening to the
  211. radio emissions from valid mobiles because the identification information
  212. (ESN/MIN) is not encrypted and remains the same with each transmission.
  213.  
  214. Manufacturers can mitigate the first problem by constructing mobiles that more
  215. realistically conform to the EIA requirements quoted above.  The second
  216. problem is not beyond solution with current technology, either.  Well-known
  217. encryption techniques would allow mobiles to identify themselves to the
  218. serving cellular system without transmitting the same digital bit stream each
  219. time.  Under this arrangement, an interloper receiving one transmission could
  220. not just retransmit the same pattern and have it work a second time.
  221.  
  222. An ancillary benefit of encryption is that it would reasonably protect
  223. communications intelligence--the digital portion of each transaction that
  224. identifies who is calling whom when.
  225.  
  226. The drawback to any such solution is that it requires some re-engineering in
  227. the Mobile-Land Station Compatibility Specification, and thus new software or
  228. hardware for both mobiles and base stations.  The complex logistics of
  229. establishing a new standard, implementing it, and retrofitting as much of the
  230. current hardware as possible certainly presents a tough obstacle, complicated
  231. by the need to continue supporting the non-encrypted protocol during a
  232. transition period, possibly forever.
  233.  
  234. The necessity of solving the problem will, however, become apparent.  While we
  235. presently know of no documented cases of cellular fraud, the vulnerability of
  236. the current standards and experience with similar technologies lead us to
  237. conclude that it is inevitable.  Failure to take decisive steps promptly will
  238. expose the industry to a far more expensive dilemma.  XXX
  239.  
  240.  
  241. Geoffrey S. Goodfellow is a member of the senior research staff in the
  242. Computer Science Laboratory at SRI International, 333 Ravenswood Ave., Menlo
  243. Park, CA 94025, 415/859-3098.  He is a specialist in computer security and
  244. networking technology and is an active participant in cellular industry
  245. standardization activities.  He has provided Congressional testimony on
  246. telecommunications security and privacy issues and has co-authored a book on
  247. the computer 'hacking' culture.
  248.  
  249. Robert N. Jesse (2221 Saint Paul St., Baltimore, MD 21218, 301/243-8133) is an
  250. independent consultant with expertise in security and privacy, computer
  251. operating systems, telecommunications and technology management.  He is an
  252. active participant in cellular standardization efforts.  He was previously a
  253. member of the senior staff at The Johns Hopkins University, after he obtained
  254. his BES/EE from Johns Hopkins.
  255.  
  256. Andrew H. Lamothe, Jr. is executive vice-president of engineering at Cellular
  257. Radio Corporation, 8619 Westwood Center Dr., Vienna, VA 22180, 703/893-2680.
  258. He has played a leading role internationally in cellular technology
  259. development.  He was with Motorola for 10 years prior to joining American
  260. TeleServices, where he designed and engineered the Baltimore/Washington market
  261. trial system now operated by Cellular One.
  262.  
  263.