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【技术分享】打造基于Zigbee的IoT漏洞安全试验环境

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翻译：shan66

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【技术分享】物联网设备的固件分析技术


前言

目前，Zigbee已经成为智能家居和医疗设备中最流行的物联网无线电通信协议，本文将讨论它的安全性以及相关的物联网设备的利用技术。 


Zigbee简介

Zigbee是在智能家居设备和其他物联网设备中最常见的通信协议之一。 由于Zigbee具备低功耗、网状网络和易用性的优势，所以日益成为制造商的首选。它是在IEEE 802.15.4的基础之上，由Zigbee联盟成员公司共同创建的一个开放协议，该联盟成员包括TI、Silicon Labs、Philips等公司。Zigbee协议已经进行了多次迭代，当前版本是Zigbee 3.0。


可能的攻击 

作为一种无线电通信协议，Zigbee同样免不了受到标准无线电协议的漏洞的影响。在使用Zigbee进行通信时，可能发生的攻击有：

1. 攻击者能够嗅探传输的数据

2. 捕获传输的数据后重放数据包，从而执行恶意动作

3. 在初始通信期间嗅探加密密钥

4. 修改捕获的数据包，然后重放

5. 欺骗攻击

6. 拒绝服务攻击

本文只是一个入门指南，介绍如何搭设利用Zigbee漏洞的实验环境和有关的基础知识，在后续文章中，我们将在此基础上进一步介绍上述每种类型的安全漏洞的利用技术。 


硬件要求 

在继续阅读下文之前，请不要忘了，这里介绍的硬件只是探索Zigbee安全性的可能硬件组合之一。实际上，有各种其他类型的硬件可资使用，例如我们既可以使用Zigbee开发套件，也可以使用商业IoT设备发射Zigbee信号等。

下面是一个供我们入门的简单配置：

1. Arduino Uno/Nano 

2. DigiKey Xbee module / Arduino Xbee shield 

3. Atmel RzRaven USB stick 

4. Attify Badge  

Arduino：Arduino已经在各种类型的电子项目中广为普及了。实际上，你很可能已经在大学或高中阶段早就用过它了。Nano是体积最小的Arduino nano，但是对于本文的用途来说，它的功能已经足够了。

DigiKey Xbee module / Xbee Shield ：为了学习Zigbee，你需要一些可以发送和接收Zigbee信号的东西。 Xbee是一种全双工收发器，能够使用Zigbee标准协议与其他Xbee模块进行无线通信。

Atmel RzRaven USB Stick：这是半双工模块，它能执行嗅探，并且可以将捕获的Zigbee数据包进行相应的修改后再次传输。如果你熟悉其他类型的无线电利用技术的话，可以将其视为“用于Zigbee的HackRF”。 

Attify Badge：您可以将其插到系统上，然后使用它和XCTU对Xbee模块进行编程。之所以这么做，是因为Xbee通常没有miniUSB或类似的端口，所以无法直接插入进行编程。如果您没有Attify Badge或类似的硬件，可以通过亚马逊或您当地的商店购买一个用于Xbee的迷你USB套件，比如类似于页面https://www.sparkfun.com/products/11812中这样的套件。 

用于Xbee的MiniUSB电路板

或者，你也可以通过邮件（[email protected]）方式购买 Attify BadgeAttify Badge。

利用Attify攻击物联网嵌入式设备

对于编程和硬件连接来说，使用它是最简单的方案，只需要连接下列引脚：power => power，Gnd => Gnd，Tx到Rx，Rx到Tx。如果需要的话，您可以进一步参考Xbee模块相应版本的说明书。 


对Arduino和Xbee进行编程 

对Arduino进行编程 

要想对Arduino进行编程，只需从https://www.arduino.cc/en/Main/Software下载使用Arduino IDE即可。加载后，可以从Attify的github库中逐一打开每个Arduino的Hub和Node程序。

代码本身提供了详细的内联注释，你可以通过注释来了解代码的含义。另外，提供的代码示例还可以通过传感器和DHT库来获取温度、湿度和光照值。它非常适合用于进行完整的分析，以及通过传输一个硬编码字符串进行攻击，而不是使用DHT值。此外，如果你想原封不动地使用这些代码的话，则需要购买DHT11和所需的其他附属设备。

所需工具

Arduino * 1 https://www.sparkfun.com/products/11021 

DHT 11 * 1 https://www.adafruit.com/product/386 

XBee S1模块（S2模块需要不同的配置）* 2 LDR / Photocell * 1 https://www.sparkfun.com/products/9088 

BC547 * 1 https://www.sparkfun.com/products/8928 

LED *任意数量https://www.sparkfun.com/products/10635

跳线https://www.sparkfun.com/products/13870

面包板https://www.sparkfun.com/products/12046 

Xbee shield * 2 https://www.sparkfun.com/products/128

电路图 

下面是我们的入门套件配置的电路图。 

Node电路图：

Node电路图

Hub电路图： 

Hub电路图

Node代码： 

// Offensive IoT Exploitation by Attify 
// www.attify.com | www.offensiveiotexploitation.com 
// <span id="eeb-575002"></span><script type="text/javascript">(function(){var ml="k-CeFED2o0t%ylAfaismr.4ch3un",mi=";I2@;79HD3?;I6;77C@A=:8;I>B3GJD3;F9@::A?<EG8C;77;79;79G=@BB;I6;77C@A=:81=AK0;77;I5B3GJD3;F9@::A?<EG8C;I2;74@;I5",o="";for(var j=0,l=mi.length;j<l;j++){o+=ml.charAt(mi.charCodeAt(j)-48);}document.getElementById("eeb-575002").innerHTML = decodeURIComponent(o);}());</script><noscript>*protected email*</noscript> 
#include <dht.h> //Library for DHT11  Humidity
#define dht_dpin A0 // DTH11 Data pin connected to AO of arduino
#define led 2 // Led connected to Pin D2
#define ldr A1 // LDR connected to Pin A1
dht DHT; // Creating DHT function 
void setup() {
  // initialize serial:
  Serial.begin(2400); // Initiliaze Hardware serial for xbee
  pinMode(2, OUTPUT); // Pin direction of LED to Output as it sends current
}
void loop() { // Continous loop
  // if there's any serial available, read it:
   DHT.read11(dht_dpin); // Reading DHT11 using the library
  int lig = analogRead(ldr); // Reading analog values from LDR
  int ligp = map(lig, 0, 1023, 0, 100); // Mapping the 10bit resolution ADC to 0 to 100
  int h = DHT.humidity; // Humidity value
  int t = DHT.temperature; // Temperature value
  while (Serial.available() > 0) { // Checking for any data on Xbee
    int red = Serial.parseInt(); // look for the next valid integer in the incoming serial stream
    if (Serial.read() == '!') // Check if the next Serial data is '!'
    {
      if(red == 1) // if the recieved data is 1! 
        {
        Serial.print(h,DEC); // Send humidity value with '!'
        Serial.print("!");
          }
         else 
         if(red == 2) // if the recieved data is 2!
    {
      Serial.print(t,DEC); // Send Temperature value with '!'
      Serial.print("!");
    }
    else 
    if(red == 3) // if the recieved data is 3!
    {
    Serial.print(ligp,DEC); // Send Light value with '!'
      Serial.print("!");
    }
     else 
     if(red == 4) // if the recieved data is 4!
    {
   digitalWrite(2, HIGH); // Turn ON the LED
    delay(100);
    }
    else if(red == 5)  // if the recieved data is 5!
    {
   digitalWrite(2, LOW);  //Turn OFF the LEd
    delay(100);
    Serial.print("!attify!"); // Send the AES key
    }
    }
  }
}

Hub代码： 

// Offensive IoT Exploitation by Attify 
// www.attify.com | www.offensiveiotexploitation.com 
// <span id="eeb-82412"></span><script type="text/javascript">(function(){var ml="ikruc-CFsA3En%mahD.2l04oyfte",mi="=:6?=CE@2KI=:A=CC>?0DJG=:98K432K=FE?JJ0IHB4G>=CC=CE=CE4D?88=:A=CC>?0DJG5D0<1=CC=:;8K432K=FE?JJ0IHB4G>=:6=C7?=:;",o="";for(var j=0,l=mi.length;j<l;j++){o+=ml.charAt(mi.charCodeAt(j)-48);}document.getElementById("eeb-82412").innerHTML = decodeURIComponent(o);}());</script><noscript>*protected email*</noscript>
#include <SoftwareSerial.h> // Software based UART port to use Zigbee module
int a = 1;
float hum = 0, temp = 0;  // Float Variable to store Temperature and Humidity
SoftwareSerial xbee(3, 2); // RX, TX
void setup() //One time preloading function
{   
Serial.begin(9600); // Hardware Serial initialization to be connected to a bluetooth module or PC
xbee.begin(2400);  // Software Serial initialization at 2400 Baud rate to communicate with zigbee 
}
void loop() // Continous loop
{
 xbee.print(a);   // Sends (a) with "!" to Xbee -> "1!" Requests temperature data and vice versa
 xbee.println("!");
 while(xbee.available() > 0) //Checks is any data has been recieved from zigbee. 
  { 
    char aChar = xbee.read();  //reading the value from the Xbee serial port
      if(aChar == 33)  //If the first character is 33 ie) ! in ASCII
      {
        xbee.flush();  // Clear the buffer and 
        aChar = NULL;
       }
      if(aChar >= 100) // If it is more than 100 or random ASCII character flush the data
       {
        xbee.flush();
        aChar = NULL;
       }
  Serial.print(aChar); //Printing the Read value 
  }
  if(a == 3) // if a = 3 create new line or end of one set of data transmission
  {
    Serial.println(); //New line print
  }
  else 
  {
    Serial.print(","); // if a not 3 then add "," 
  }
  if(a> 3) // after a > 3 print the AES encryted data to xbee
  {
    a =1; // initialize a = 1 back
    xbee.print("!f+F8YW+9W3+Cg0S1NVBexycQxz32biWTmzVsxO48+fk=!");
  }
  delay(100); // Wait for few ms for this to happen
  xbee.flush(); // flush any data in Xbee serial port
  a=a+1;  //Increment data
  if(Serial.available()); // Check if any data is sent from Hardware serial port
  {
    int r = Serial.parseInt(); // Recieving any integer data
    if(r== 1)  // if recieved data is 1. Send 4! which turns the LED on the Node.
    {
      xbee.print(4);
      xbee.print("!");
      delay(100);
    }
      if(r== 2)// if recieved data is 2. Send 5! which turns the LED off the Node.
    {
      xbee.print(5);
      xbee.print("!");
    }
  }
}

一旦完成了这两个Arduino的编程工作，下一步就是使用XCTU来配置Xbees。 

对Xbee进行编程 

启动XCTU并单击Discover Radio模块，这时将显示已插入设备的可用COM端口的列表。然后，选择与Xbee模块对应的COM端口（如果您不太确定，就全部选上）。  

其他配置总是8N1、8个数据位、无奇偶校验位和1个停止位。 此外，您还需要为给定的Xbee模块指定波特率。 如果您不知道模块使用的波特率，您可以给模块选择所有波特率，XCTU将扫描所有波特率并为您找到正确的波特率。 

结束模块的搜索后，点击Finish，它就能识别出该设备。 单击Add the Device。 

利用XCTU识别出的设备

在这一步中，您将看到设备的各种属性，例如信道名称和PAN ID，这两个属性对于我们来说非常重要。在Zigbee中，每个频带总共有16个信道，每个信道间隔5MHz，2MHz的带宽用于无噪声数据传输。我们可以从http://www.digi.com/wiki/developer/index.php/Channels,_Zigbee找到所有Zigbee通道的清单。 Zigbee网络的PAN ID是唯一的标识符，其对于该网络上的所有设备都是相同的。我们可以将信道名称和PAN ID配置为任何特定的值，只需要确保其他Xbee也使用相同的信道名称和PAN ID即可。

XCTU中显示的Xbee属性


后记

到此为止，我们一家搭建好了Zigbee的漏洞实验环境。在将来的Zigbee安全文章中，我们将在这个实验平台上面介绍各种利用技术，包括控制商业设备发射Zigbee信号等。


传送门

【技术分享】物联网设备的固件分析技术