GNU Radio Primer

免责声明：在传输任何数据前，请务必使用法拉第袋或屏蔽笼，避免因意外在受监管频段非法传输而违法。此外，拦截和解密他人数据是非法的，因此在研究自身流量时需谨慎。

前言：
最近我接触了SDR（软件定义无线电）领域，并在此过程中学到了很多。我发现不仅可以使用SDR Sharp、GQRX、SIGINTOS、CubicSDR、RTL-SDR支持软件等应用模拟实际射频（RF）硬件组件，还能使用GNU Radio流图（如grgsm_livemon.grc）实时捕获GSM移动网络数据包。尽管这个项目富有教育意义，但我希望更深入理解GNU Radio流图的基础知识，而不是仅依赖现有流图而不完全理解其工作原理。

尽管网络上有大量文档，GNU Radio（及GNURADIO-COMPANION）对初学者仍显 daunting。通过谷歌搜索，我最终发现了Great Scott Gadgets的Michael Ossmann提供的在线课程，这对我帮助极大。此外，GNU Radio教程也巩固了我所学内容。

为熟悉GNU Radio基础，我选择了一个可能与重放攻击相关的项目：查找、捕获和重放原始RF信号，以绕过FOB（频率操作按钮）解锁我的1999款福特Mountaineer。

需要提前说明的是，尽管我成功从FOB捕获了解锁信号并重放了该信号（通过HackRF传输），但并未实际解锁车辆。原因是多年前采用了“滚动码”（有时称为“跳码”）技术来防止此类重放攻击。在此之前，车辆和车库门开启器使用固定码，易被攻击者发现。本文撰写时，已有多种滚动码绕过方法被提及，包括干扰技术和代码重置技术。

无论如何，完成该项目是值得的，它让我更好地理解了GNU Radio，并掌握了创建自定义流图的知识。

基本GNU Radio和流图信息：
GNU Radio中的所有信号处理均通过流图完成，流图由执行单个数字信号处理操作（如滤波、解码、复用等）的独立块组成。数据在这些块之间以各种格式传递，如复数或实数整数、浮点数或任何自定义数据类型。每个流图至少需要一个源块（输入）和一个汇块（输出）。源或汇可以是USB设备（如HackRF、BladeRF）、声卡、文件或FFT（快速傅里叶变换）等。

获取FOB特定信息：
为确定FOB的操作频率，我首先搜索了与车辆相关的FCC编号。谷歌搜索后，通过FCC搜索得到以下信息：

FCC搜索结果提供了所需频率：315MHz。

有了设备RF频率（315MHz），我尝试捕获“解锁车辆”信号。通常，我可以使用许多可用应用（如SDR Sharp等）监控和捕获原始数据，但这次我想使用GNU Radio流图自行构建模块。

我进入家庭项目目录并执行以下命令：
$ sudo gnuradio-companion

加载gnuradio-companion后，我点击创建新流图：

新流图打开时已定义两个块：Options和Variable。Options（ID: top_block）定义了要使用的工具链库（如QT-GUI、WX-GUI、无、分层块等），Variable块（ID: samp_rate）用于选择信号采样率，默认为32ksps（每秒32千样本）。

注意：右键单击任何块可显示属性并修改参数。

我将使用HackRF（由osmocom源块支持），HackRF推荐的最小采样率为每秒2M样本。我可以通过在列表中找到并双击osmocom源来选择它。

此时，我可能想将采样率变量从默认的32k（32e3）更改为2M（2e6）。流图中指定变量samp_rate的任何块现在将使用新（编辑后的）值。设置一个用于目标RF中心频率315MHz（315e6）的变量也很有帮助。这可以通过复制粘贴samp_rate变量块并命名新变量块为center_freq来实现。

现在，我可以右键单击osmocom源块，将默认CH0频率（100e6）更改为变量center_freq。我的流图现在如下所示：

注意，两个变量samp_rate和center_freq的值现在被osmocom源块跟随。定义变量在流图规模增大和可读性降低时非常有用。此外，注意osmocom源的蓝色输出。蓝色表示复数输出（实部和虚部），如果输出颜色为橙色，则输出为实数值（整数、浮点数、绝对值等）。这是一个重要概念，输入和输出颜色必须匹配，否则会抛出错误。不匹配可以通过编辑块的输出类型或输入类型属性来纠正。最后，注意osmocom源（ID）以红色字母显示。GNU Radio使用红色表示流图中的错误。此处错误源于源块缺少输出连接，这将在添加输出（汇）块并连接两个块后解决。

创建汇：
为完成“初步”流图，我需要添加FFT汇以监控信号活动并确保一切正常工作。这可以通过在Instrumentation下选择QT-GUI Frequency Sink块来实现。我需要进入属性窗口并指定变量center_freq作为中心频率参数。此外，我需要将osmocom源的输出连接到QT-GUI Frequency Sink的输入。

要执行流图，我点击绿色Execute按钮。注意：要停止执行，点击绿色Execute按钮右侧的红色“X”。

这应打开一个FFT窗口，显示HackRF接收到的315MHz RF信号。

此时，我可以看到流图正在以315MHz中心频率采样2MHz带宽。到目前为止，流图似乎按预期工作。接下来，我希望能够按下FOB上的“解锁”按钮并显示结果信号。这可以使用相同的流图实现，但首先我需要进入运行的FFT窗口并点击鼠标中键。这会打开一个下拉菜单，我可以选择“Max Hold”。此功能将显示高于当前显示信号的任何信号。

启用Max Hold后执行流图，当我点击FOB按钮时显示如下：

捕获FOB解锁信号以重放：
为捕获生成的FOB信号并保存到文件，我需要向流图添加另一个汇块（输出）。这个新块可以在File Operators下找到，称为File Sink。右键单击允许我打开属性窗口并输入捕获原始数据的文件名。我选择将此文件命名为fob_capture。

注意：这些文件可能很快变得非常大，因为我们将使用浮点表示法每秒采样2百万样本。因此，我将执行流图，点击FOB按钮，然后尽快停止流图。

修改后的流图现在如下所示：

执行流图并捕获FOB信号后，生成一个49.3M字节的原始文件。目录列表：
-rw-r--r-- 1 root root 49311744 Nov 10 21:06 fob_capture

从捕获文件重放FOB信号：
注意：在GNU Radio中，我们可以通过右键单击块并选择“Disable”来禁用块执行。这将显示块为灰色，表示该块已从流图执行中临时移除。

要重放捕获的信号，我们通常可能创建一个全新的流图，但为演示“禁用块”功能，我决定禁用osmocom源、QT GUI Frequency Sink和File Sink块。禁用后，这三个块显示为灰色。

接下来，我使用File Operators下的File Source块创建了一个新源块。我打开块属性并输入先前捕获的文件名fob_capture。

然后，我创建了先前使用的QT-GUI Frequency Sink（FFT）块的副本（复制和粘贴），以便观察重放的信号。

最后，我使用osmocom Sink块通过HackRF实际传输重放信号。修改后的流图现在如下所示：

以下视频（用手机拍摄）显示了执行此流图的结果：

注意：File Source块中的“Repeat”参数表示文件将重复（无限循环）。理想情况下，在重放攻击中我们只允许信号播放一次，但为演示目的，我选择了重复重放。

其他有用的GNU Radio信息：
如果您有使用硬件设备（如示波器、频率发生器、频率计数器、频谱分析仪等）的经验，要知道这些设备可以添加到流图中，以进一步补充项目开发和测试。以下演示了使用示波器在更低级别锁定实际捕获的FOB信号，显示实际数字脉冲（组成代码）。尽管重放攻击不一定需要此级别信息，但了解可用选项是好事。

另请注意，我使用WX-GUI库演示范围块，而不是之前使用的QT-GUI库。

Throttle块（何时及为何使用）：
值得一提的是，Throttle块可以在列表的“Misc”类别下找到。Throttle块通常直接附加到“非硬件”源块（如Signal Source块）的输出，以限制该源块创建样本的速率。我们使用Throttle块来限制样本流，使得平均速率不超过指定速率（samp_rate）。

当且仅当流图中没有速率限制块（通常是硬件，如SDR加密狗、扬声器、麦克风等）时，才应使用Throttle块。例如，Throttle块可用于模拟实际硬件但缺少实际时钟的流图。

在以下示例流图中，如果我们移除Throttle块，输出看起来相同，但CPU将达100%，且GNU Radio可能崩溃。这是使用Throttle块的好例子。

还应注意，“节流”采样在精确控制样本速率方面并不非常准确。这需要由与样本时钟（如USRP或声卡）绑定的源或汇控制，在这种情况下不会使用Throttle块。

一般来说，Throttle块通常不必要，应避免使用，尤其是在使用硬件源（如USRP、SDR-RTL等）时钟时。这是因为Throttle块是一个糟糕的时钟，通常会导致双时钟问题，可能产生非常糟糕的结果。经验法则是，如果流图连接了无线电设备（如USRP、SDR-RTL等）或音频设备（如声卡等），则不要使用Throttle块。

总结：
如开头所述，尽管我能够捕获FOB解锁信号并重放该信号，但我仍认为努力是成功的（即使重放并未实际解锁车辆）。未来，新的RF（射频）相关项目无疑会出现，新的漏洞将暴露。凭借通过软件（流图）模拟昂贵无线电硬件的能力，GNU Radio将始终是我武器库中有价值的工具。

这确实是一场猫鼠游戏，但得益于信息安全社区的持续研究和贡献，我们可以继续分享知识，努力保持系统安全。