本文主要是介绍【蓝牙协议栈】【BLE】低功耗蓝牙配对绑定过程分析(超详细),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
1. 精讲蓝牙协议栈(Bluetooth Stack):SPP/A2DP/AVRCP/HFP/PBAP/IAP2/HID/MAP/OPP/PAN/GATTC/GATTS/HOGP等协议理论
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目录
1. 配对/绑定概念介绍
2. 配对基本概念解读
3. Paring流程及命令
2.1 阶段1:配对特性交换
2.2 阶段2:密钥生成
2.2.1 legacy paring
2.2.2 LESC paring
2.3 阶段3:秘密信息分发
2.4 绑定,重连和加密
2.5 配对命令一览表
1. 配对/绑定概念介绍
Paring(配对)和bonding(绑定)是实现蓝牙射频通信安全的一种机制,有两点需要注意:
1. paring/bonding实现的是蓝牙链路层的安全,对应用来说完全透明,也就是说,不管有没有paring/bonding,你发送或接收应用数据的方式是一样的,不会因为加了paring/bonding应用数据传输需要做某些特殊处理;
2. 安全有两种选项:加密或者签名,目前绝大多数应用都是选择加密,后续我们也会以加密为重点进行讲述。实现蓝牙通信安全,除了paring/bonding这种底层方式,用户也可以在应用层去实现相同功能,两者从功能上和安全性上没有本质区别,只不过应用层自己实现的话,需要自己选择密码算法,密钥生成,密钥交换等,如果你不是这方面的专家,你的应用就有可能会存在安全漏洞。Paring/bonding则把上述过程标准化,放在了蓝牙协议栈中,并且其安全性得到了充分评估,用户可以 “无感的” 用上安全的蓝牙通信。
Paring/bonding是蓝牙security manager(SM)的一部分,SM定义了蓝牙通信的安全框架,里面涉及安全架构,密码工具箱,paring协议等,其中paring协议是关键,所以我们经常把paring和SM二者等价,下面将对paring进行详细阐述。
2. 配对基本概念解读
Paring(配对),配对包括配对能力交换,设备认证,密钥生成,连接加密以及机密信息分发等过程,配对的目的有三个:加密连接,认证设备,以及生成密钥。从手机角度看,一旦设备跟手机配对成功,蓝牙配置菜单将包含该配对设备,如下所示:
如果用户需要主动删除配对设备,点击配对设备右边的“设置”菜单,出现如下界面,选择“取消配对”或者“忽略该设备”,设备的配对信息即被手机删除。
Bonding(绑定),配对过程中会生成一个长期密钥(LTK,long-term Key),如果配对双方把这个LTK存储起来放在Flash中,那么这两个设备再次重连的时候,就可以跳过配对流程,而直接使用LTK对蓝牙连接进行加密,设备的这种状态称为bonding。如果paring过程中不存储LTK(不分发LTK)也是可以的,paring完成后连接也是加密的,但是如果两个设备再次重连,那么就需要重走一次paring流程,否则两者还是明文通信。在不引起误解的情况下,我们经常把paring当成paring和bonding两者的组合,因为只paring不bonding的应用情况非常少见。在不引起混淆的情况下,下文就不区分paring和bonding的区别,换句话说,我们会把paring和bonding两个概念等同起来进行混用。
SM(security manager),蓝牙协议栈的安全管理层,规定了跟蓝牙安全通信有关的所有要素,包括paring,bonding,以及下文提到的SMP。
SMP(security manager protocol),安全管理协议,SMP着重两个设备之间的蓝牙交互命令序列,对paring的空中包进行了严格时序规定。
OOB(out of band,带外),OOB就是不通过蓝牙射频本身来交互,而是通过比如人眼,NFC,UART等带外方式来交互配对信息,在这里人眼,NFC,UART通信方式就被称为OOB通信方式。
Passkey,又称pin码,是指用户在键盘中输入的一串数字,以达到认证设备的目的。低功耗蓝牙的passkey必须为6位。
Numeric comparison(数字比较),numeric comparison其实跟passkey一样,也是用来认证设备的,只不过passkey是通过键盘输入的,而numeric comparison是显示在显示器上的,numeric comparison也必须是6位的数字。
MITM(man in the middle),MITM是指A和B通信过程中,C会插入进来以模拟A或者B,并且具备截获和篡改A和B之间所有通信报文的能力,从而达到让A或者B信任它,以至于错把C当成B或者A来通信。如果对安全要求比较高,需要具备MITM保护能力,在SM中这个是通过认证(authentication)来实现的,SM中实现认证的方式有三种:OOB认证信息,passkey以及numeric comparison,大家根据自己的实际情况,选择其中一种即可。
LESC(LE secure connections),又称SC,蓝牙4.2引入的一种新的密钥生成方式和验证方式,SC通过基于椭圆曲线的Diffie-Hellman密钥交换算法来生成设备A和B的共享密钥,此密钥生成过程中需要用到公私钥对,以及其他的密码算法库。LESC同时还规定了相应的通信协议以生成该密钥,并验证该密钥。需要注意的是LESC对paring的其他方面也会产生一定的影响,所以我们经常会把LESC看成是一种新的配对方式。
Legacy paring,在LESC引入之前的密钥生成方式,称为legacy paring,换句话说,legacy paring是相对LESC来说的,不支持LESC的配对即为legacy paring(legacy配对)。
TK(Temporary Key,临时密钥),legacy paring里面的概念,如果采用just work配对方式,TK就是为全0;如果采用passkey配对方式,TK就是passkey;如果采用OOB配对方式,TK就是OOB里面的信息。
STK(short term key,短期密钥),legacy配对里面的概念,STK是通过TK推导出来的,通过TK对设备A和B的随机数进行加密,即得到STK。
LTK(long term key,长期密钥),legacy配对和LESC配对都会用到LTK,如前所述,LTK是用来对未来的连接进行加密和解密用的。Legacy paring中的LTK由从设备根据相应的算法自己生成的(LTK生成过程中会用到EDIV(分散因子)和Rand(随机数)),然后通过蓝牙空中包传给主机。LESC配对过程中,先通过Diffie-Hellman生成一个共享密钥,然后这个共享密钥再对设备A和B的蓝牙地址和随机数进行加密,从而得到LTK,LTK由设备A和B各自同时生成,因此LTK不会出现在LESC蓝牙空中包中,大大提高了蓝牙通信的安全性。
IRK(Identity Resolving Key,蓝牙设备地址解析密钥),有些蓝牙设备的地址为可解析的随机地址,比如iPhone手机,由于他们的地址随着时间会变化,那如何确定这些变化的地址都来自同一个设备呢?答案就是IRK,IRK通过解析变化的地址的规律,从而确定这些地址是否来自同一个设备,换句话说,IRK可以用来识别蓝牙设备身份,因此其也称为Identity information。IRK一般由设备出厂的时候按照一定要求自动生成。
Identity Address(设备唯一地址),蓝牙设备地址包括public,random static, private resolvable,random unresolved共四类。如果设备不支持privacy,那么identity address就等于public或者random static设备地址。如果设备支持privacy,即使用private resolvable蓝牙设备地址,在这种情况下,虽然其地址每隔一段时间会变化一次,但是identity address仍然保持不变,其取值还是等于内在的public或者random static设备地址。Identity Address和IRK都可以用来唯一标识一个蓝牙设备。
IO capabilities(输入输出能力),是指蓝牙设备的输入输出能力,比如是否有键盘,是否有显示器,是否可以输入Yes/No两个确认值。
Key size(密钥长度),一般来说,密钥默认长度为16字节,为了适应一些低端的蓝牙设备处理能力,你也可以把密钥长度调低,比如变为10个字节。
3. Paring流程及命令
Paring包含三个阶段:
配对特性交换,即交换各自都支持哪些配对特性,比如支不支持SC,支不支持MITM,支不支持OOB,以及它的输入输出能力等
密钥生成阶段,legacy paring和LESC paring两者的区别就在这里,因此后续我们会分开阐述legacy paring和SC paring的阶段
Legacy paring:STK生成(注:legacy paring的LTK生成跟配对流程无关,如前所述,其是由从机自己生成的)
SC paring:LTK生成
3. 通过蓝牙空中包分发一些秘密信息。Legacy paring需要分发LTK,IRK等,而SC paring只需分发IRK。秘密信息分发之前,必须保证连接已加密。
Paring流程如下所示:
2.1 阶段1:配对特性交换
配对特性交换涉及三条PDU命令:
- Paring_Request
- Paring_Response
- Security_Request
IO Capability占一个字节,其定义如下所示:
AuthReq也是占用一个字节,其定义如下所示:
2.2 阶段2:密钥生成
根据阶段1的IO输入输出能力以及是否存在OOB,阶段2存在如下几种配对方式(或者说认证方式)
Just works
Numeric comparison(LESC才有)
Passkey
OOB
对于legacy paring,如果A和B都支持OOB,那么两者就会采用OOB方式进行配对,否则根据IO能力选择配对方式。
对于SC paring,如果A或者B有一方支持OOB,那么两者就会采用OOB方式进行配对,否则根据IO能力选择配对方式。不同的IO能力对应的配对方式如下所示:
注:粗略来说,有认证的配对方式就具备MITM保护功能,从IO角度看,有三种配对方式:just works,passkey和Numeric Comparison,其中just works没有MITM保护功能,而passkey和Numeric comparison具备MITM保护功能。换句话说,如果你要求你的设备具备MITM保护功能,那么它必须有一定IO能力,而不能是“NoInputNoOutput”。至于OOB方式有没有MITM保护,取决于OOB通信的安全性,如果OOB通信具备MITM保护,那么蓝牙也具备MITM保护,否则就不具备。
下面分legacy paring和sc paring对配对流程进行讲解。
2.2.1 legacy paring
Legacy paring整个配对流程是围绕STK生成来做的,设备的认证是通过设备A和B经由TK生成一个确认数,如果这个确认数相同,则认证通过。
如前所述,legacy paring需要先生成TK,TK的生成方式取决于配对方式:
Just works。TK默认为全0
Passkey。TK由6位passkey扩展而来
OOB。TK直接由OOB数据提供
然后生成确认数,算法如下所示
生成STK的算法如下所示:
以passkey legacy paring为例,其第2阶段全工作流程如下所示:
Just works和OOB配对流程就不再赘述了,大家自己去看一下蓝牙核心规范的说明。
这里强调一下,配对完成之后,连接就会加密,而且加密的密钥是STK,而不是LTK。
2.2.2 LESC paring
跟legacy paring不一样的地方,LESC paring是通过Diffie-Hellman算法直接生成LTK,因此它不需要生成TK和STK。为了生成LTK,双方需要先交换公钥,流程如下所示:
公钥交换后,设备A和B就开始独自计算各自的DHKey,按照D-H算法,他们俩算出的DHKey会是同一个。而LTK和MacKey就是通过这个DHKey加密一系列数据而得到的。
Legacy paring在整个配对流程中只做一次认证,而LESC paring会做两次认证。LESC第一阶段认证的原理是,设备A和B各生成一个随机数,然后认证这个随机数对不对。LESC第二阶段认证过程是:设备A和B通过MacKey各生成一个检查值,对方确认这个值对不对。
以LESC Numeric comparison为例,其第一阶段认证流程如下所示:
我们还是以LESC Numeric comparison为例,其第二阶段全工作流程如下所示:
一旦LTK生成成功,主机端就可以发起加密连接流程,如下所示:
至此,LESC连接被LTK加密了,后面就可以分发秘密信息了。
2.3 阶段3:秘密信息分发
一旦连接加密了,主机和从机之间就可以分发一些秘密信息。
如果是legacy paring,如下秘密信息必须分发:
LTK
EDIV
Rand
同时根据情况,legacy paring还需分发如下信息:
IRK
Identity address
如果是LESC paring,秘密信息分发是可选,一般有可能分发如下信息:
IRK
Identity address
如下为legacy paring可能分发的最多秘密信息的一个例子:
2.4 绑定,重连和加密
如上所述,如果配对的两个设备生成了LTK及其他秘密信息,并且把LTK及其他秘密信息保存到Flash等永久化存储设备中,那么我们就可以说这两个设备绑定成功。换句话说,paring和bonding是两个不同的概念,paring更强调认证和密钥生成,而bonding更强调密钥保存。一旦两个设备bonding成功,那么这两个设备断开再次重连的时候,主机就可以发起加密流程,从而使用paring生成的LTK对后续的连接进行加密。主机发出加密连接流程如下所示:
这里说明一下,加密连接只能由主机发出,而不能由从机发起。不过从机可以发出加密请求,主机收到从机的加密请求后,可以发起加密连接也可以拒绝其请求。如下为主机同意从机的加密请求的工作流程:
2.5 配对命令一览表
如下为SM中用的PDU命令列表:(注:加密连接命令属于LL控制命令,所以没有包含在其中)
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