NFC unter Android

Dies ist der Ergebnisartikel des Projekts "NFC Interface unter Android" im Rahmen des IT-Security Workshops 2012. Ziel des Projekts war es, zu untersuchen, welche Möglichkeiten sich auf mobilen Android Gerät bieten, mit dem NFC Interface von Android zu arbeiten. Grundlegende Eckpunkte bildeten dabei das Auslesen des Guthabens der Mensakarte in Form einer "Guthaben App" für Android und das Emulieren einer solchen mit einem Android Gerät.

Guthaben-App

Unser erstes Ziel war es, eine Android App zu erstellen, welche in der Lage ist, das Guthaben einer beliebigen Mensakarte auszulesen und anzuzeigen. Die zum aktuellen Zeitpunkt (Sep. 2012) im Umlauf befindlichen Mensakarten sind vom Typ Mifare Classic 1k.

Diese Karten stellen einen 1024 Byte großen Speicher dar, welcher in Sektoren unterteilt ist. Dabei sind die Sektoren, in denen wichtige Informationen wie z.B. das Guthaben gespeichert sind, mit einem Schlüssel versehen. Nur wenn ein Lesegerät diesen spezifischen Schlüssel kennt, kann es diese Sektoren auslesen.

libnfc & nfc-tools

Um diesen Schlüssel zu knacken haben wir unter Ubuntu 12.04 das Programm mfoc verwendet, welches Teil des NFC-Tools Paket ist, welches wiederum die Library libnfc verwendet. Alle Tools und Libraries wurden in der aktuellsten Version bzw. Revision verwendet.

Links:

• libnfc Home
• libnfc Source
• Nfc Tools Source (inkl. mfoc)

Zum compilieren und installieren genügt:

autoreconf -vis
./configure
make
make install

Danach kann man dann z.B. mit

nfc-list

und einem USB-Kartenleser erstmals eine Smartcard am PC erkennen und nach einfachen Informationen scannen.

< ! > Dabei ist zu beachten, dass ab der Version 3.2 des Linux Kernels vor dem Scannen mit nfc-list zwei Module in der korrekten Reihenfolge entfernt werden müssen:

rmmod pn533
rmmod nfc
nfc-list

Wird über nfc-list eine Mifare Classic Karte am Kartenleser erkannt, kann nun von dieser ein dump mittels mfoc erstellt werden:

mfoc -O /Zielpfad/für/das/DumpFile

Dem Dumpfile kann man nun den Schlüssel der kritischen Sektoren und den kompletten Speicherinhalt der (Mensa)Karte in Hexadezimaldarstellung entnehmen. Dabei stellte sich heraus, dass für alle Mensakarten ein und der selbe Schlüssel für die kritischen Sektoren verwendet wurde, sodass ein einmaliges Knacken einer beliebigen Mensakarte ausreicht, um dann mit dem erlangten Schlüssel weiterarbeiten zu können. Desweiteren konnte man an Hand mehrer Dumps mit unterschiedlichen Guthaben erkennen, in welchen Bytes der Karte das Guthaben kodiert ist und konnte dieses somit mit einem kleinen selbst gebauten Skript leicht automatisiert ablesen.

Umsetzung unter Android

Nachdem man den Schlüssel, mit dem auf allen Mensakarten die kritischen Sektoren verschlüsselt sind, über mfoc ermittelt hat, braucht man diese Information nur noch mittels des Android NFC API in die Form einer Android App zu bringen. Wir haben dafür erste Schritte unter Android mit Hilfe des Android Emulators unternommen, welcher Teil des Android Eclipse Plugins ist.

Links:

• Android SDK Download
• Install Anleitung für das Eclipse Plugin
• Erste Schritte unter Android

Nach den ersten kleinen selbst gebauten Apps ist man schnell in der Lage, sich mit dem NFC API zu beschäftigen um eine App zu schreiben, welche mit Hilfe der bereitgestellten Funktionalitäten und dem ermittelten Schlüssel gezielt die richtigen Bytes der Mensakarte ausliest, um damit korrekt das jeweilige Guthaben anzuzeigen.

Da der Android Emulator des Eclipse Plugins aber leider keinen Zugriff auf USB Geräte bietet, kommt man ab hier mit einem USB Kartenleser nicht mehr weiter, sondern benötigt ein NFC fähiges Android Smartphone oder Tablet. Wir hatten im Rahmen des Workshops die Möglichkeit mit einem Google/Asus Nexus 7 Tablet und einem Google/Samsung Nexus S arbeiten zu können, welche beide über einen eingebauten NFC Chip verfügen. Somit konnte man direkt in Eclipse die erstellte App starten, welche dann nicht über den Emulator sondern direkt auf dem über USB angeschlossenen Android Gerät ausgeführt wurde.

Links:

• Nexus 7 Tablet
• Nexus S Smartphone
• Android NFC API
• Liste von NFC fähigen Smartphones

Der Quelltext unserer Guthaben-App befindet sich als Git-Repository namens android.nfc auf dem SAR-Github gitsar und steht frei zur Verfügung.

Die fertige App steht hier zum Download.

Kartenemulation unter Android

Der zweite Teil unserer Arbeit hatte das Ziel, zu untersuchen, welche Möglichkeiten zum einen Android und zum anderen das Nexus S bieten, um die Emulation einer Smartcard umzusetzen. Bei der Emulation wird das Smartphone nicht wie üblich als Kartenleser eingesetzt, sondern gibt sich selbst als Karte aus, ist also selbst die Smartcard und sollte demnach von einem Kartenleser gelesen werden können.

Da wir im ersten Teil des Workshops speziell mit der Mensakarte gearbeitet haben, lag auch hier zu erst der Fokus darauf, eine Emulation der Mensakarte hinzubekommen.

Problemstellung

Schon die originale Androidversion bietet die Möglichkeit einer Kartenemulation. Dies ergibt sich, da es u.a. von Google selbst einen Online-Bezahldienst namens Google Wallet gibt, mit welchem man in der Lage sein soll, an einem Point of Sale (PoS) mit dem Smartphone zu bezahlen, in dem dies z.B. eine vorher über Paypal gekaufte Guthabenkarte oder eine Kreditkarte emuliert.

Google Wallet:

• Google Wallet Wikipedia Artikel
• Google Wallet Demo Video

Damit allerdings die Sicherheit dieses speziellen Emulationsmodus gewahrt bleibt, wurde im NFC Chip des Nexus S ein sog. Secure Element verbaut. So gesehen eine kleine Smartcard, dessen Zugriff nur für ausgewählte Firmen und deren Apps erlaubt ist. Die Kartenemulation findet ausschließlich über dieses Secure Element statt und ist somit auch nur für ausgewählte Apps möglich.

Um also nun mit einer selbstgebauten App die Kartenemulation zu ermöglichen mussten wir uns ersteinmal ein Android System einrichten, welches diese Restriktionen umgeht. Danach muss man dann versuchen, mit einer selbst geschriebenen App eine Kartenemulation zu ermöglichen.

Vorbereitung

Einen ersten Anhaltspunkt zur selbst gebauten Kartenemulation bietete uns dabei die App NFC Proxy, welche allerdings eine inoffizielle Version des Android Betriebssystems namens CyanogenMod benötigt, bei der viele Restriktionen des Originals aufgehoben sind. Um CyanogenMod auf dem Nexus S installieren zu können benötigt man ersteinmal root-Rechte auf dem Gerät, man muss das Gerät also rooten. Dadurch verfällt die Garantie des Geräts und bestimmte Dienste wie z.B. Google Wallet können danach nicht mehr genutzt werden.

Links:

• Wiki: rooten
• Guide: CyanogenMod installieren

NFC Proxy

Die App NFC Proxy wurde auf der diesjährigen Defcon20 von ihrem Entwickler Eddie Lee vorgestellt und lieferte uns einen ersten Anhaltspunkt dafür, wie eine Kartenemulation unter Android aussehen könnte.

Hauptaugenmerk dieser App ist es, NFC Pakete, welche sonst nur zwischen einer Smartcard und einem Smartcard-Reader auf kürzester Distanz ausgetauscht werden, über eine größere Distanz mit Hilfe einer Bluetooth oder einer Wifi Verbindungen zu übertragen. Dafür benötigt man zwei NFC fähige Android Geräte. Ein Gerät befindet sich bei der Karte und das andere beim Kartenleser. Mit Hilfe der App kann die Kommunikation zwischen Karte und Leser nun über eine größere Distanz ausgedehnt werden, wobei diese weiterhin denken, sich direkt nebeneinander zu befinden.

NFC Proxy:

• Folien zum Defcon20 Vortrag "Hacking the Easy Way" von Eddie Lee
• NFC Proxy Demo Video
• NFC Proxy Homepage (inkl. Source)

Als Beiprodukt bietet die App aber auch die Möglichkeit mit einem Smartphone eine Karte zu scannen um diese dann danach zu emulieren, welches genau die Funktionalität ist, welche wir bezogen auf unsere Mensakarte umsetzen wollten.

Leider funktioniert die App von Hause aus nur mit Kreditkarten und obwohl der Source Code der App frei zur Verfügung steht, ist es uns leider nicht gelungen die Funktionalität der App auf unsere Mensakarte anzupassen.

...to be continued.