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Text File  |  2003-06-11  |  14.2 KB  |  270 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.  
  8. What's the greatest security problem with cellular phones? Is it privacy of
  9. communications?  No.
  10.  
  11. Although privacy is a concern, it will pale beside an even greater problem:
  12. spoofing.
  13.  
  14. 'Spoofing' is the process through which an agent (the 'spoofer') pretends to
  15. be somebody he isn't by proffering false identification, usually with intent
  16. to defraud.  This deception, which cannot be protected against using the
  17. current U.S. cellular standards, has the potential to create a serious
  18. problem--unless the industry takes steps to correct some loopholes in the
  19. present cellular standards.
  20.  
  21. Compared to spoofing, the common security concern of privacy is not so severe.
  22. Most cellular subscribers would, at worst, be irked by having their
  23. conversational privacy violated.  A smaller number of users might actually
  24. suffer business or personal harm if their confidential exchanges were
  25. compromised.  For them, voice encryption equipment is becoming increasingly
  26. available if they are willing to pay the price for it.
  27.  
  28. Thus, even though technology is available now to prevent an interloper from
  29. overhearing sensitive conversations, cellular systems cannot--at any
  30. cost--prevent pirates from charging calls to any account. This predicament is
  31. not new to the industry.  Even though cellular provides a modern,
  32. sophisticated quality mobile communications service, it is not fundamentally
  33. much safer than older forms of mobile telephony.
  34.  
  35. History of Spoofing Vulnerability
  36.  
  37. The earliest form of mobile telephony, unsquelched manual Mobile Telephone
  38. Service (MTS), was vulnerable to interception and eavesdropping.  To place a
  39. call, the user listened for a free channel.  When he found one, he would key
  40. his microphone to ask for service: 'Operator, this is Mobile 1234; may I
  41. please have 555-7890.'  The operator knew to submit a billing ticket for
  42. account number 1234 to pay for the call.  So did anybody else listening to the
  43. channel--hence the potential for spoofing and fraud.
  44.  
  45. Squelched channel MTS hid the problem only slightly because users ordinarily
  46. didn't overhear channels being used by other parties.  Fraud was still easy
  47. for those who turned off the squelch long enough to overhear account numbers.
  48.  
  49. Direct-dial mobile telephone services such as Improved Mobile Telephone
  50. Service (IMTS) obscured the problem a bit more because subscriber
  51. identification was made automatically rather than by spoken exchange between
  52. caller and operator.  Each time a user originated a call, the mobile telephone
  53. transmitted its identification number to the serving base station using some
  54. form of Audio Frequency Shift Keying (AFSK), which was not so easy for
  55. eavesdroppers to understand.
  56.  
  57. Committing fraud under IMTS required modification of the mobile--restrapping
  58. of jumpers in the radio unit, or operating magic keyboard combinations in
  59. later units--to reprogram the unit to transmit an unauthorized identification
  60. number. Some mobile control heads even had convenient thumb wheel switches
  61. installed on them to facilitate easy and frequent ANI (Automatic Number
  62. Identification) changes.
  63.  
  64. Cellular Evolution
  65.  
  66. Cellular has evolved considerably from these previous systems.  Signaling
  67. between mobile and base stations uses high-speed digital techniques and
  68. involves many different types of digital messages.  As before, the cellular
  69. phone contains its own Mobile Identification Number (MIN), which is programmed
  70. by the seller or service shop and can be changed when, for example, the phones
  71. sold to a new user.  In addition, the U.S. cellular standard incorporates a
  72. second number, the 'Electronic Serial Number' (ESN), which is intended to
  73. uniquely and permanently identify the mobile unit.
  74.  
  75. According to the Electronic Industries Association (EIA) Interim Standard
  76. IS-3-B, Cellular System Mobile Station--Land Station Compatibility
  77. Specification (July 1984), 'The serial number is a 32-bit binary number that
  78. uniquely identifies a mobile station to any cellular system.  It must be
  79. factory-set and not readily alterable in the field.  The circuitry that
  80. provides the serial number must be isolated from fraudulent contact and
  81. tampering.  Attempts to change the serial number circuitry should render the
  82. mobile station inoperative.'
  83.  
  84. The ESN was intended to solve two problems the industry observed with its
  85. older systems.
  86.  
  87. First, the number of subscribers that older systems could support fell far
  88. short of the demand in some areas, leading groups of users to share a single
  89. mobile number (fraudulently) by setting several phones to send the same
  90. identification.  Carriers lost individual user accountability and their means
  91. of predicting and controlling traffic on their systems.
  92.  
  93. Second, systems had no way of automatically detecting use of stolen equipment
  94. because thieves could easily change the transmitted identification.
  95.  
  96. In theory, the required properties of the ESN allow cellular systems to check
  97. to ensure that only the correctly registered unit uses a particular MIN, and
  98. the ESNs of stolen units can be permanently denied service ('hot-listed').
  99. This measure is an improvement over the older systems, but vulnerabilities
  100. remain.
  101.  
  102. Ease of ESN Tampering
  103.  
  104. Although the concept of the unalterable ESN is laudable in theory, weaknesses
  105. are apparent in practice.  Many cellular phones are not constructed so that
  106. 'attempts to change the serial number circuitry renders the mobile station
  107. inoperative.'  We have personally witnessed the trivial swapping of one ESN
  108. chip for another in a unit that functioned flawlessly after the switch was
  109. made.
  110.  
  111. Where can ESN chips be obtained to perform such a swap?  We know of one recent
  112. case in the Washington, D.C. area in which an ESN was 'bought' from a local
  113. service shop employee in exchange for one-half gram of cocaine.  Making the
  114. matter simpler, most manufacturers are using industry standard Read-Only
  115. Memory (ROM) chips for their ESNs, which are easily bought and programmed or
  116. copied.
  117.  
  118. Similarly, in the spirit of research, a west coast cellular carrier copied the
  119. ESN from one manufacturer's unit to another one of the same type and
  120. model--thus creating two units with the exact same identity.
  121.  
  122. The ESN Bulletin Board
  123.  
  124. For many phones, ESN chips are easy to obtain, program, and install.  How does
  125. a potential bootlegger know which numbers to use?  Remember that to obtain
  126. service from a system, a cellular unit must transmit a valid MIN (telephone
  127. number) and (usually) the corresponding serial number stored in the cellular
  128. switch's database.
  129.  
  130. With the right equipment, the ESN/MIN pair can be read right off the air
  131. because the mobile transmits it each time it originates a call.  Service shops
  132. can capture this information using test gear that automatically receives and
  133. decodes the reverse, or mobile-to-base, channels.
  134.  
  135. Service shops keep ESN/MIN records on file for units they have sold or
  136. serviced, and the carriers also have these data on all of their subscribers.
  137. Unscrupulous employees could compromise the security of their customers'
  138. telephones.
  139.  
  140. In many ways, we predict that 'trade' in compromised ESN/MIN pairs will
  141. resemble what currently transpires in the long distance telephone business
  142. with AT&T credit card numbers and alternate long-distance carrier (such as
  143. MCI, Sprint and Alltel) account codes.  Code numbers are swapped among
  144. friends, published on computer 'bulletin boards' and trafficked by career
  145. criminal enterprises.
  146.  
  147. Users whose accounts are being defrauded might--or might not--eventually
  148. notice higher-than-expected bills and be reassigned new numbers when they
  149. complain to the carrier.  Just as in the long distance business, however, this
  150. number 'turnover' (deactivation) won't happen quickly enough to make abuse
  151. unprofitable.  Catching pirates in the act will be even tougher than it is in
  152. the wireline telephone industry because of the inherent mobility of mobile
  153. radio.
  154.  
  155. Automating Fraud
  156.  
  157. Computer hobbyis and electronics enthusiasts are clever people.  Why should
  158. a cellular service thief 'burn ROMs' and muck with hardware just to install
  159. new IDs in his radio?  No Herculean technology is required to 'hack' a phone
  160. to allow ESN/MIN programming from a keyboard, much like the IMTS phone thumb
  161. wheel switches described above.
  162.  
  163. Those not so technically inclined may be able to turn to mail-order
  164. entrepreneurs who will offer modification kits for cellular fraud, much as
  165. some now sell telephone toll fraud equipment and pay-TV decoders.
  166.  
  167. At least one manufacturer is already offering units with keyboard-programmable
  168. MINs.  While intended only for the convenience of dealers and service shops,
  169. and thus not described in customer documentation, knowledgeable and/or
  170. determined end users will likely learn the incantations required to operate
  171. the feature.  Of course this does not permit ESN modification, but easy MIN
  172. reprogrammability alone creates a tremendous liability in today's roaming
  173. environment.
  174.  
  175. The Rolls Royce of this iniquitous pastime might be a 'Cellular Cache-Box.' It
  176. would monitor reverse setup channels and snarf ESN/MIN pairs off the air,
  177. keeping a list in memory.  Its owner could place calls as on any other
  178. cellphone.  The Cache-Box would automatically select an ESN/MIN pair from its
  179. catalog, use it once and then discard it, thus distributing its fraud over
  180. many accounts.  Neither customer nor service provider is likely to detect the
  181. abuse, much less catch the perpetrator.
  182.  
  183. As the history of the computer industry shows, it is not far-fetched to
  184. predict explosive growth in telecommunications and cellular that will bring
  185. equipment prices within reach of many experimenters.  Already we have seen the
  186. appearance of first-generation cellular phones on the used market, and new
  187. units can be purchased for well under $1000 in many markets.
  188.  
  189. How High The Loss?
  190.  
  191. Subscribers who incur fraudulent charges on their bills certainly can't be
  192. expected to pay them.  How much will fraud cost the carrier?  If the charge is
  193. for home-system airtime only, the marginal cost to the carrier of providing
  194. that service is not as high as if toll charges are involved.  In the case of
  195. toll charges, the carrier suffers a direct cash loss.  The situation is at its
  196. worst when the spoofer pretends to be a roaming user.  Most inter-carrier
  197. roaming agreements to date make the user's home carrier (real or spoofed)
  198. responsible for charges, who would then be out hard cash for toll and airtime
  199. charges.
  200.  
  201. We have not attempted to predict the dollar losses this chicanery might
  202. generate because there isn't enough factual information information for anyone
  203. to guess responsibly.  Examination of current estimates of long-distance-toll
  204. fraud should convince the skeptic.
  205.  
  206. Solutions
  207.  
  208. The problems we have described are basically of two types.  First, the ESN
  209. circuitry in most current mobiles is not tamper-resistant, much less
  210. tamper-proof.  Second and more importantly, the determined perpetrator has
  211. complete access to all information necessary for spoofing by listening to the
  212. radio emissions from valid mobiles because the identification information
  213. (ESN/MIN) is not encrypted and remains the same with each transmission.
  214.  
  215. Manufacturers can mitigate the first problem by constructing mobiles that more
  216. realistically conform to the EIA requirements quoted above.  The second
  217. problem is not beyond solution with current technology, either.  Well-known
  218. encryption techniques would allow mobiles to identify themselves to the
  219. serving cellular system without transmitting the same digital bit stream each
  220. time.  Under this arrangement, an interloper receiving one transmission could
  221. not just retransmit the same pattern and have it work a second time.
  222.  
  223. An ancillary benefit of encryption is that it would reasonably protect
  224. communications intelligence--the digital portion of each transaction that
  225. identifies who is calling whom when.
  226.  
  227. The drawback to any such solution is ╨»that it requires some re-engineering in
  228. the Mobile-Land Station Compatibility Specification, and thus new software or
  229. hardware for both mobiles and base stations.  The complex logistics of
  230. establishing a new standard, implementing it, and retrofitting as much of the
  231. current hardware as possible certainly presents a tough obstacle, complicated
  232. by the need to continue supporting the non-encrypted protocol during a
  233. transition period, possibly forever.
  234.  
  235. The necessity of solving the problem will, however, become apparent.  While we
  236. presently know of no documented cases of cellular fraud, the vulnerability of
  237. the current standards and experience with similar technologies lead us to
  238. conclude that it is inevitable.  Failure to take decisive steps promptly will
  239. expose the industry to a far more expensive dilemma.  XXX
  240.  
  241.  
  242. Geoffrey S. Goodfellow is a member of the senior research staff in the
  243. Computer Science Laboratory at SRI International, 333 Ravenswood Ave., Menlo
  244. Park, CA 94025, 415/859-3098.  He is a specialist in computer security and
  245. networking technology and is an active participant in cellular industry
  246. standardization activities.  He has provided Congressional testimony on
  247. telecommunications security and privacy issues and has co-authored a book on
  248. the computer 'hacking' culture.
  249.  
  250. Robert N. Jesse (2221 Saint Paul St., Baltimore, MD 21218, 301/243-8133) is an
  251. independent consultant with expertise in security and privacy, computer
  252. operating systems, telecommunications and technology management.  He is an
  253. active participant in cellular standardization efforts.  He was previously a
  254. member of the senior staff at The Johns Hopkins University, after he obtained
  255. his BES/EE from Johns Hopkins.
  256.  
  257. Andrew H. Lamothe, Jr. is executive vice-president of engineering at Cellular
  258. Radio Corporation, 8619 Westwood Center Dr., Vienna, VA 22180, 703/893-2680.
  259. He has played a leading role internationally in cellular technology
  260. development.  He was with Motorola for 10 years prior to joining American
  261. TeleServices, where he designed and engineered the Baltimore/Washington market
  262. trial system now operated by Cellular One.
  263.      --------
  264.  
  265.  
  266. A later note indicates that one carrier may be losing something like $180K
  267. per month....
  268.  
  269. The Wanderjahr
  270.