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Text File  |  2003-06-11  |  14.3 KB  |  273 lines

  1.     
  2. --------------------------------------------------------------------------
  3. The following is reprinted from the November 1985 issue of Personal
  4. Communications Technology magazine by permision of the authors and
  5. the publisher, FutureComm Publications Inc., 4005 Williamsburg Ct.,
  6. Fairfax, VA  22032, 703/352-1200.
  7.  
  8. Copyright 1985 by FutureComm Publications Inc.   All rights reserved.
  9. --------------------------------------------------------------------------
  10.  
  11.  
  12.           THE ELECTRONIC SERIAL NUMBER: A CELLULAR 'SIEVE'?
  13.               'SPOOFERS' CAN DEFRAUD USERS AND CARRIERS
  14.  
  15.    by Geoffrey S. Goodfellow, Robert N. Jesse, and Andrew H. Lamothe, Jr.
  16.  
  17. What's the greatest security problem with cellular phones? Is it privacy of
  18. communications?  No.
  19.  
  20. Although privacy is a concern, it will pale beside an even greater problem:
  21. spoofing.
  22.  
  23. 'Spoofing' is the process through which an agent (the 'spoofer') pretends to
  24. be somebody he isn't by proffering false identification, usually with intent
  25. to defraud.  This deception, which cannot be protected against using the
  26. current U.S. cellular standards, has the potential to create a serious
  27. problem--unless the industry takes steps to correct some loopholes in the
  28. present cellular standards.
  29.  
  30. Compared to spoofing, the common security concern of privacy is not so severe.
  31. Most cellular subscribers would, at worst, be irked by having their
  32. conversational privacy violated.  A smaller number of users might actually
  33. suffer business or personal harm if their confidential exchanges were
  34. compromised.  For them, voice encryption equipment is becoming increasingly
  35. available if they are willing to pay the price for it.
  36.  
  37. Thus, even though technology is available now to prevent an interloper from
  38. overhearing sensitive conversations, cellular systems cannot--at any
  39. cost--prevent pirates from charging calls to any account. This predicament is
  40. not new to the industry.  Even though cellular provides a modern,
  41. sophisticated quality mobile communications service, it is not fundamentally
  42. much safer than older forms of mobile telephony.
  43.  
  44. History of Spoofing Vulnerability
  45.  
  46. The earliest form of mobile telephony, unsquelched manual Mobile Telephone
  47. Service (MTS), was vulnerable to interception and eavesdropping.  To place a
  48. call, the user listened for a free channel.  When he found one, he would key
  49. his microphone to ask for service: 'Operator, this is Mobile 1234; may I please
  50. have 555-7890.'  The operator knew to submit a billing ticket for account
  51. number 1234 to pay for the call.  So did anybody else listening to the
  52. channel--hence the potential for spoofing and fraud.
  53.  
  54. Squelched channel MTS hid the problem only slightly because users ordinarily
  55. didn't overhear channels being used by other parties.  Fraud was still easy
  56. for those who turned off the squelch long enough to overhear account numbers.
  57.  
  58. Direct-dial mobile telephone services such as Improved Mobile Telephone
  59. Service (IMTS) obscured the problem a bit more because subscriber
  60. identification was made automatically rather than by spoken exchange between
  61. caller and operator.  Each time a user originated a call, the mobile telephone
  62. transmitted its identification number to the serving base station using some
  63. form of Audio Frequency Shift Keying (AFSK), which was not so easy for
  64. eavesdroppers to understand.
  65.  
  66. Committing fraud under IMTS required modification of the mobile--restrapping
  67. of jumpers in the radio unit, or operating magic keyboard combinations in
  68. later units--to reprogram the unit to transmit an unauthorized identification
  69. number. Some mobile control heads even had convenient thumb wheel switches
  70. installed on them to facilitate easy and frequent ANI (Automatic Number
  71. Identification) changes.
  72.  
  73. Cellular Evolution
  74.  
  75. Cellular has evolved considerably from these previous systems.  Signaling
  76. between mobile and base stations uses high-speed digital techniques and
  77. involves many different types of digital messages.  As before, the cellular
  78. phone contains its own Mobile Identification Number (MIN), which is programmed
  79. by the seller or service shop and can be changed when, for example, the phones
  80. sold to a new user.  In addition, the U.S. cellular standard incorporates a
  81. second number, the 'Electronic Serial Number' (ESN), which is intended to
  82. uniquely and permanently identify the mobile unit.
  83.  
  84. According to the Electronic Industries Association (EIA) Interim Standard
  85. IS-3-B, Cellular System Mobile Station--Land Station Compatibility
  86. Specification (July 1984), 'The serial number is a 32-bit binary number that
  87. uniquely identifies a mobile station to any cellular system.  It must be
  88. factory-set and not readily alterable in the field.  The circuitry that
  89. provides the serial number must be isolated from fraudulent contact and
  90. tampering.  Attempts to change the serial number circuitry should render the
  91. mobile station inoperative.'
  92.  
  93. The ESN was intended to solve two problems the industry observed with its
  94. older systems.
  95.  
  96. First, the number of subscribers that older systems could support fell far
  97. short of the demand in some areas, leading groups of users to share a single
  98. mobile number (fraudulently) by setting several phones to send the same
  99. identification.  Carriers lost individual user accountability and their means
  100. of predicting and controlling traffic on their systems.
  101.  
  102. Second, systems had no way of automatically detecting use of stolen equipment
  103. because thieves could easily change the transmitted identification.
  104.  
  105. In theory, the required properties of the ESN allow cellular systems to check
  106. to ensure that only the correctly registered unit uses a particular MIN, and
  107. the ESNs of stolen units can be permanently denied service ('hot-listed').
  108. This measure is an improvement over the older systems, but vulnerabilities
  109. remain.
  110.  
  111. Ease of ESN Tampering
  112.  
  113. Although the concept of the unalterable ESN is laudable in theory, weaknesses
  114. are apparent in practice.  Many cellular phones are not constructed so that
  115. 'attempts to change the serial number circuitry renders the mobile station
  116. inoperative.'  We have personally witnessed the trivial swapping of one ESN
  117. chip for another in a unit that functioned flawlessly after the switch was
  118. made.
  119.  
  120. Where can ESN chips be obtained to perform such a swap?  We know of one recent
  121. case in the Washington, D.C. area in which an ESN was 'bought' from a local
  122. service shop employee in exchange for one-half gram of cocaine.  Making the
  123. matter simpler, most manufacturers are using industry standard Read-Only
  124. Memory (ROM) chips for their ESNs, which are easily bought and programmed or
  125. copied.
  126.  
  127. Similarly, in the spirit of research, a west coast cellular carrier copied the
  128. ESN from one manufacturer's unit to another one of the same type and
  129. model--thus creating two units with the exact same identity.
  130.  
  131. The ESN Bulletin Board
  132.  
  133. For many phones, ESN chips are easy to obtain, program, and install.  How does
  134. a potential bootlegger know which numbers to use?  Remember that to obtain
  135. service from a system, a cellular unit must transmit a valid MIN (telephone
  136. number) and (usually) the corresponding serial number stored in the cellular
  137. switch's database.
  138.  
  139. With the right equipment, the ESN/MIN pair can be read right off the air
  140. because the mobile transmits it each time it originates a call.  Service shops
  141. can capture this information using test gear that automatically receives and
  142. decodes the reverse, or mobile-to-base, channels.
  143.  
  144. Service shops keep ESN/MIN records on file for units they have sold or
  145. serviced, and the carriers also have these data on all of their subscribers.
  146. Unscrupulous employees could compromise the security of their customers'
  147. telephones.
  148.  
  149. In many ways, we predict that 'trade' in compromised ESN/MIN pairs will
  150. resemble what currently transpires in the long distance telephone business
  151. with AT&T credit card numbers and alternate long-distance carrier (such as
  152. MCI, Sprint and Alltel) account codes.  Code numbers are swapped among
  153. friends, published on computer 'bulletin boards' and trafficked by career
  154. criminal enterprises.
  155.  
  156. Users whose accounts are being defrauded might--or might not--eventually
  157. notice higher-than-expected bills and be reassigned new numbers when they
  158. complain to the carrier.  Just as in the long distance business, however, this
  159. number 'turnover' (deactivation) won't happen quickly enough to make abuse
  160. unprofitable.  Catching pirates in the act will be even tougher than it is in
  161. the wireline telephone industry because of the inherent mobility of mobile
  162. radio.
  163.  
  164. Automating Fraud
  165.  
  166. Computer hobbyists and electronics enthusiasts are clever people.  Why should
  167. a cellular service thief 'burn ROMs' and muck with hardware just to install
  168. new IDs in his radio?  No Herculean technology is required to 'hack' a phone
  169. to allow ESN/MIN programming from a keyboard, much like the IMTS phone thumb
  170. wheel switches described above.
  171.  
  172. Those not so technically inclined may be able to turn to mail-order
  173. entrepreneurs who will offer modification kits for cellular fraud, much as
  174. some now sell telephone toll fraud equipment and pay-TV decoders.
  175.  
  176. At least one manufacturer is already offering units with keyboard-programmable
  177. MINs.  While intended only for the convenience of dealers and service shops,
  178. and thus not described in customer documentation, knowledgeable and/or
  179. determined end users will likely learn the incantations required to operate
  180. the feature.  Of course this does not permit ESN modification, but easy MIN
  181. reprogrammability alone creates a tremendous liability in today's roaming
  182. environment.
  183.  
  184. The Rolls Royce of this iniquitous pastime might be a 'Cellular Cache-Box.'
  185. It would monitor reverse setup channels and snarf ESN/MIN pairs off the air,
  186. keeping a list in memory.  Its owner could place calls as on any other
  187. cellphone.  The Cache-Box would automatically select an ESN/MIN pair from its
  188. catalog, use it once and then discard it, thus distributing its fraud over
  189. many accounts.  Neither customer nor service provider is likely to detect the
  190. abuse, much less catch the perpetrator.
  191.  
  192. As the history of the computer industry shows, it is not far-fetched to
  193. predict explosive growth in telecommunications and cellular that will bring
  194. equipment prices within reach of many experimenters.  Already we have seen the
  195. appearance of first-generation cellular phones on the used market, and new
  196. units can be purchased for well under $1000 in many markets.
  197.  
  198. How High The Loss?
  199.  
  200. Subscribers who incur fraudulent charges on their bills certainly can't be
  201. expected to pay them.  How much will fraud cost the carrier?  If the charge is
  202. for home-system airtime only, the marginal cost to the carrier of providing
  203. that service is not as high as if toll charges are involved.  In the case of
  204. toll charges, the carrier suffers a direct cash loss.  The situation is at its
  205. worst when the spoofer pretends to be a roaming user.  Most inter-carrier
  206. roaming agreements to date make the user's home carrier (real or spoofed)
  207. responsible for charges, who would then be out hard cash for toll and airtime
  208. charges.
  209.  
  210. We have not attempted to predict the dollar losses this chicanery might
  211. generate because there isn't enough factual information information for anyone
  212. to guess responsibly.  Examination of current estimates of long-distance-toll
  213. fraud should convince the skeptic.
  214.  
  215. Solutions
  216.  
  217. The problems we have described are basically of two types.  First, the ESN
  218. circuitry in most current mobiles is not tamper-resistant, much less
  219. tamper-proof.  Second and more importantly, the determined perpetrator has
  220. complete access to all information necessary for spoofing by listening to the
  221. radio emissions from valid mobiles because the identification information
  222. (ESN/MIN) is not encrypted and remains the same with each transmission.
  223.  
  224. Manufacturers can mitigate the first problem by constructing mobiles that more
  225. realistically conform to the EIA requirements quoted above.  The second
  226. problem is not beyond solution with current technology, either.  Well-known
  227. encryption techniques would allow mobiles to identify themselves to the
  228. serving cellular system without transmitting the same digital bit stream each
  229. time.  Under this arrangement, an interloper receiving one transmission could
  230. not just retransmit the same pattern and have it work a second time.
  231.  
  232. An ancillary benefit of encryption is that it would reasonably protect
  233. communications intelligence--the digital portion of each transaction that
  234. identifies who is calling whom when.
  235.  
  236. The drawback to any such solution is that it requires some re-engineering in
  237. the Mobile-Land Station Compatibility Specification, and thus new software or
  238. hardware for both mobiles and base stations.  The complex logistics of
  239. establishing a new standard, implementing it, and retrofitting as much of the
  240. current hardware as possible certainly presents a tough obstacle, complicated
  241. by the need to continue supporting the non-encrypted protocol during a
  242. transition period, possibly forever.
  243.  
  244. The necessity of solving the problem will, however, become apparent.  While we
  245. presently know of no documented cases of cellular fraud, the vulnerability of
  246. the current standards and experience with similar technologies lead us to
  247. conclude that it is inevitable.  Failure to take decisive steps promptly will
  248. expose the industry to a far more expensive dilemma.  XXX
  249.  
  250.  
  251. Geoffrey S. Goodfellow is a member of the senior research staff in the
  252. Computer Science Laboratory at SRI International, 333 Ravenswood Ave., Menlo
  253. Park, CA 94025, 415/859-3098.  He is a specialist in computer security and
  254. networking technology and is an active participant in cellular industry
  255. standardization activities.  He has provided Congressional testimony on
  256. telecommunications security and privacy issues and has co-authored a book on
  257. the computer 'hacking' culture.
  258.  
  259. Robert N. Jesse (2221 Saint Paul St., Baltimore, MD 21218, 301/243-8133) is an
  260. independent consultant with expertise in security and privacy, computer
  261. operating systems, telecommunications and technology management.  He is an
  262. active participant in cellular standardization efforts.  He was previously a
  263. member of the senior staff at The Johns Hopkins University, after he obtained
  264. his BES/EE from Johns Hopkins.
  265.  
  266. Andrew H. Lamothe, Jr. is executive vice-president of engineering at Cellular
  267. Radio Corporation, 8619 Westwood Center Dr., Vienna, VA 22180, 703/893-2680.
  268. He has played a leading role internationally in cellular technology
  269. development.  He was with Motorola for 10 years prior to joining American
  270. TeleServices, where he designed and engineered the Baltimore/Washington market
  271. trial system now operated by Cellular One.
  272.  
  273.