BLE4.2链路层（LL）安全机制-LL Privacy

本文主要是总结了BLE配对绑定后，二次连接时链路层的连接过程和在该过程中，蓝牙4.2所做的一些安全机制，主要包括蓝牙白名单和安全机制LL Privacy，LL Privacy主要是防止设备地址泄露，导致设备被跟踪。本文所有内容是按蓝牙4.2总结。

1 BLE地址类型

1.1蓝牙地址类型

    有两种设备地址，即是公有地址和随机地址。公有地址包括一个 24 位的公司识别码（基于 IEEE802-2001 标准的组织唯一标识符，简称为 OUI）和一个 24 位的公司分配码（每个设备的号码不一样）。

随机设备地址分为两种：静态地址和私有地址。

静态地址是随机生成的 48 位地址，其中两个最高有效位被设置为 1。

公有地址是固定不变的。静态地址只在重新开机时才被修改。

对等设备很容易便能检测和连接使用了其中一种地址的设备。

私有地址则定期改变，这样可确保 BLE 设备不被跟踪。每次重新连接时，不可解析的私有地址都会改变。

对等设备无法计算不可解析的私有地址，因此连接前需要向对等设备提供该地址。

可解析的私有地址（RPA）被定期修改，支持保密功能的设备可以计算并使用它。

LL Privacy安全机制主要利用的就是RPA。

1.2可解析保密地址（RPA）的产生

    可解析私有地址共48位，其格式如下：

     

设备生成 24 位数值（22 位是随机的， 2 位是固定的）被称为 prand。设备将使用 prand 通过 Hash 函数生成 24 位

hash = e(IRKlocal, padding | prand )， 截断为 24 位

其中：

• IRKlocal = 128 位局部 IRK
• Padding = 向 prand 零填充 104 位以得到 128 位
• prand = 24 位随机数值（22 位是随机的， 两个最高有效位被设置为 0b10）
• 安全函数‘e’ 是 128 位 AES 加密函数，该函数在 PSoC 4/ PRoC BLE 设备的链路层硬件中被执行。它使用 128 位key 和 128 位 plaintextData 来生成 encryptedData，如 FIPS-1971 所定义：encryptedData = e(key, plaintextData)
• 按照以下方式将 24 位 hash 和 24 位 prand 结合起来便得到随机地址（randomAddress） ：

randomAddress = hash | prand

RPA的产生过程如下图所示：

       

1.3可解析私有地址（RPA）的解析

     BLE 保密设备如何解析对等设备的 RPA。对等设备提供的 RPA 包括 24 位随机部分（prand）和 24 位散列部分（hash），如第 7.2.3 节所述。对地址进行解析或解码时， RPA 的最低有效 24 位当作对等设备的 hash，地址的最高有效 24 位当作 prand。使用上面的 Hash 函数生成 localHash 值。其中，函数的输入参数为对等设备所提供的 IRK（首次配对绑定时会被主从双方交换）和从 RPA 提取得到的 prand。

localHash = e(IRKpeer, padding | prand )， 截断为 24 位

将 localHash 和从 RPA 提取的 hash 进行比较。如果 localHash 同所提取的 hash 匹配， 则表示对等设备的 ID 地址已被

解析。 地址解析流程如下图所示。

       

2蓝牙白名单   

    所谓的白名单，就是一组蓝牙地址；通过白名单，可以只允许特定的蓝牙设备（白名单中列出的）扫描（Scan）、连接（connect）我们，也可以只扫描、连接特定的蓝牙设备（白名单中列出的）。

    例如，如果某个BLE设备，只需要被受信任的某几个设备扫描、连接，我们就可以把这些受信任设备的蓝牙地址加入到该设备的白名单中，这样就可以有效避免其它“流氓设备”的骚扰了。

    不过呢，该机制只防君子不防小人，因为它是靠地址去过滤“流氓”的，如果有些资深流氓，伪装一下，将自己的设备地址修改为受信任设备的地址，那就惨了……

    白名单是在LL层实现，其中包括：白名单策略、设备地址类型和设备地址等内容。

3安全机制-LL Privacy

    和白名单机制上的White List类似，如果设备需要使用LL Privacy机制，则需要在Controller端保存一个Resolving List，其思路为：

1. BLE设备要按照2.2中的介绍，配置并使能白名单机制，把那些受信任设备的地址（这里为Identity Address）加入到自己的白名单中，并采用合适的白名单策略。
2. 如果设备需要使用LL Privacy策略，保护自己（以及对方）的地址不被窃取，则需要将自己（local）和对方（peer）的地址和加密key保存在一个称作Resolving List的列表中。
3. Resolving List的每一个条目，都保存了一对BLE设备的key/address信息，其格式为：

Local IRK | Peer IRK | Peer Device Identity Address | Address Type

    发送数据包时，判断Resolving List是否有非0的Local IRK，如果有，则使用Local IRK将Identity Address加密为Resolvable Private Address，填充到数据包中相应的存放地址的字段。否则，直接填充Identity Address；

    接收数据包时，如果数据包中的地址为普通的Identity Address，则直接做后续的处理；如果它们为Resolvable Private Address，则会遍历Resolving List中所有的“IRK | Identity Address”条目，使用IRK解出Identity Address和条目中的对比，如果匹配，则地址解析成功，可以做进一步处理。如果不匹配，且使能了白名单/LL Privacy策略，则会直接丢弃。如果没有使能白名单，则走正常的连接过程。

    在配对过程的第三阶段中， GAP 中心和 GAP 外设交换了 IRK 和 ID 地址。这些内容作为配对相关数据包的有效载荷部分。对等设备的 IRK、 ID 地址和局部 IRK 被存储在两个设备的解析表中。在该阶段，两个设备都包含用于解析 RPA 的信息，因此它们都设置了 RPA 超时参数，并使能了地址解析。它们也可以选择性地将对等设备的 ID 地址添加到筛选设备用的白名单内。白名单是 BLE 设备的链路层筛选广播者、扫描者和连接发起者时所用的一组蓝牙设备地址。仅在使能设备筛选功能时，才使用白名单。设备在 BLE 数据通道上交换数据。由于设备的解析表具有用于解析对等设备 RPA 的信息，因此重新连接程序将会使用 RPA。下图显示的是两个设备成功实现首次连接后被断开，然后正在重新连接。

 

     如上面所示，这次，两个设备在广播通道上发送的所有数据包都使用 RPA。因此，两个设备间在广播通道上进行的通信不被任何第三个设备跟踪。请注意，重新连接时， GAP 外设可以使用可连接无定向广播或可连接定向广播。蓝牙 4.2 保密设备支持可连接定向广播。仅在 GAP 外设使用可连接无定向广播时，才会使用扫描请求和扫描响应。在 GAP 外设使用可连接定向广播时， GAP 中心只能发送连接请求进行响应。请注意，保密功能防止跟踪 BLE 设备在广播通道上进行的通信。数据通道的数据包所使用的访问地址每次连接都被修改，因此最难跟踪。 保密功能不会对数据通道数据包产生影响。

参考资料

蓝牙核心规范Core_v4.2.pdf

AN99209_-_PSoC_4_BLE_and_PRoC_BLE_Bluetooth_LE_4.2_Features_Chinese.pdf

http://www.wowotech.net/bluetooth/ble_ll_privacy.html

http://www.wowotech.net/bluetooth/ble_white_list.html