3、低功耗蓝牙(BLE)配对和解绑

本文将对以上问题进行论述。       

       什么是低功耗蓝牙配对？什么又是绑定？配对和绑定有什么区别？配对有什么好处？如何删除绑定信息？如何确定配对的安全等级？just work的配对一定就不安全吗？如何开发自己的配对应用？

 

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：

一、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；

二、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。

1. 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。

 

2. Paring流程及命令

Paring包含三个阶段：

1. 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
2. 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
   1. 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）
   2. 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）