低功耗蓝牙BLE之AES-128加密算法
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加密
在连接时，可以对净荷中的数据进行加密，确保数据的机密性，从而抵御攻击者。机密性是指第三方“攻击者”由于没有加密链路的共享密钥，因此无法拦截、破译或读取消息的原始内容。
加密数据包含一个消息完整性校验值，表明该数据包已经过认证。为了验明发送方的有效身份，认证使用共享密钥为已加密的数据计算签名，可防止第三方篡改数据包中的任何内容。通过认证，消息的接收方能够确信收到的数据包来自一个可信设备。
加密数据包还包含一个数据包计数器，用来防止重放攻击。重放攻击是这样一种攻击方式：攻击者截取一个既有的消息，随后再次发送该消息以期望收到响应。试想，假如没有重放攻击保护，攻击者有可能扫描到某个设备的大量数据包，然后再次发送这些数据包，其结果可能不堪设想。显然，防止重放攻击是一件非常重要的事情。
AES-128加密算法简介
低功耗蓝牙中的所有加密和认证都基于同一个加密引擎，称为高级加密系统（AES）。AES最初源自美国的一项政府计划，试图寻找未来可用的加密引擎。一直以来，AES被用于许多有线和无线标准，迄今为止安全研究人员还没有找到其算法的弱点。
AES可以有多种形式，取决于在给定的时间内能够处理的数据块以及密钥的大小。低功耗蓝牙使用128位的密钥和128位的数据块。也就是说，所有密钥的长度均为128位，每次加密生成的密文长度为16个字节。
AES加密块非常简单，它包含两个输入和一个输出。两个输入分别为128位的密钥值和128位的纯文本数据块，输出则为128位的加密数据块。密钥和纯文本在使用上有一些不同；纯文本可以直接为加密块使用，但密钥必须经过处理后才能使用。可见，更有效的方法是只设立一个密钥，用于不同的纯文本块以进行快速加密，而非使用不同的密钥为每个块加密。
在低功耗蓝牙里，AES加密引擎被用于下列四个基本功能：
1.加密净荷数据
2.计算消息完整性校验值
3.数据签名
4.生成私有地址
数据签名在安全管理器中定义，生成私有地址在通用访问规范中定义。
注意，本文主要是为了讲解AES-128算法在BLE设备和安卓手机之间通信时使用的过程，所以并没有去深入研究讲解AES算法。如果有对该算法感兴趣的，可以去网上搜索相关资料深入了解一下。
AES-128加解密方法源码
我们的实验案例是BLE设备端（从机）发送加密的数据给安卓手机（主机）并解密出原始有效数据，以及安卓手机（主机）发送加密的数据给BLE设备端（从机）并解密出原始有效数据。通信过程不便于演示，所以我们换种方式来呈现我们的实现源码：同样的原始有效数据，同样的加解密Key，分别在设备端和Java测试环境中对原始有效数据进行加密然后解密，通过看设备端和Java测试环境中加密之后的数据是否一致以及解密之后的数据是否一致，来判断我们的数据加密传输能否成功，如果加密之后数据一致并且解密之后的数据也一致，那加密传输就可以成功实现。
1.BLE设备端测试程序。
（1）测试环境：
开发环境：IAR8.20版本，Windows XP系统
测试设备：CC2541/CC2540开发板
测试例程：1.4.0协议栈中“simpleBLEPeripheral”例程
（2）实现源码：
/****************************************************************
* 名 称: Aes128EncryptAndDecrypTest()
*
* 功 能: 测试AES-128 加解密，注意我们加密时需要key，
* 加密后的数据用于通信；同样解密的时候也
* 需要用同一个key进行解密，这样，如果对方
* 没有key 就无法解密出原始数据，进而保护了
* 用户数据不被截取。
*
* 入口参数: 无
* 出口参数: 无
****************************************************************/
static void Aes128EncryptAndDecrypTest(void)
{
int i = 0;
// 加密秘钥 16个字节也就是128 bit
uint8 key[16] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16};
// 需要加密的数据(保证16个字节，不够的自己填充)
uint8 source_buf[16] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16};
// 加密后数据存放区
uint8 encrypted_buf[16];
// 解密后数据存放区
uint8 deccrypted_buf[16];
// 开始加密，加密后的数据存放到encrypted_buf
LL_Encrypt( key, source_buf, encrypted_buf );
// 开始解密，将解密后的数据存到deccrypted_buf
LL_EXT_Decrypt( key, encrypted_buf, deccrypted_buf );
//打印原始数据
tx_printf("source:");
for(i = 0;i < 16;i++)
{
txprintf("0x%02x ",source_buf[i]);
}
tx_printf("");
//打印加密后的数据
tx_printf("encrypte:");
for(i = 0;i < 16;i++)
{
txprintf("0x%02x ",encrypted_buf[i]);
}
tx_printf("");
//打印解密后的数据
tx_printf("deccrypte:");
for(i = 0;i < 16;i++)
{
txprintf("0x%02x ",deccrypted_buf[i]);
}
tx_printf("");
}上述测试方法放到“simpleBLEPeripheral.c”文件中，在初始化函数“SimpleBLEPeripheral_Init”里面最后的地方调用上述测试方法“Aes128EncryptAndDecrypTest();”就可以了。
通过上述测试方法，我们看到设备端加密用的是“LL_Encrypt”方法，解密用的是“LL_EXT_Decrypt”方法，这两个方法的声明在“Ll.h”头文件中，这个头文件被“hci.h”头文件引用，所以如果提示找不到这两个方法的时候，我们引用“hci.h”头文件即可。因为上面的注释比较详细，所以我们就不再赘述了。
（3）测试结果：
2.安卓手机端测试程序
（1）测试环境：
开发环境：Eclipse开发工具，Windows XP系统。
测试设备：Eclipse开发工具编译java工程可以在控制台输出结果。
（2）测试源码：
package com.zzfenglin.aes;
import java.util.Formatter;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
public class AesEntryDetry {
// 加密秘钥 ，16个字节也就是128 bit
private static final byte[] AES_KEY = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,
12, 13, 14, 15, 16 };
// 需要加密的数据(保证16个字节，不够的自己填充)
private static final byte[] SOURCE_BUF = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,
11, 12, 13, 14, 15, 16 };
// Java测试工程入口方法，在这个方法中调用加解密方法并打印结果
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 需要加密的原始数据转化成字符串并打印到控制台
String strSource = BytetohexString(SOURCE_BUF);
System.out.println("source:\n" + strSource);
// 调用加密方法，对数据进行加密，加密后的数据存放到encryBuf字节数组中
byte[] encryBuf = encrypt(AES_KEY, SOURCE_BUF);
// 将加密后的字节数组数据转成字符串并打印到控制台
String strEncry = BytetohexString(encryBuf).toLowerCase();
System.out.println("encrypte:\n" + strEncry);
// 调用解密方法，对数据进行解密，解密后的数据存放到decryBuf字节数组中
byte[] decryBuf = decrypt(AES_KEY, encryBuf);
// 将解密后的字节数组数据转成字符串并打印到控制台
String strDecry = BytetohexString(decryBuf);
System.out.println("decrypte:\n" + strDecry);
}
// 加密方法
private static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] clear) throws Exception {
SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(clear);
return encrypted;
}
// 解密方法
private static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] encrypted)
throws Exception {
SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec);
byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
return decrypted;
}
// 字节数组按照一定格式转换拼装成字符串用于打印显示
private static String BytetohexString(byte[] b) {
int len = b.length;
StringBuilder sb = new StringBuilder(b.length * (2 + 1));
Formatter formatter = new Formatter(sb);
for (int i = 0; i < len; i++) {
if (i < len - 1)
formatter.format("0x%02X:", b[i]);
else
formatter.format("0x%02X", b[i]);
}
formatter.close();
return sb.toString();
}
}Java测试实例工程的CSDN下载链接如下：
http://download.csdn.net/detail/zzfenglin/9555823
（3）测试结果：
3.通过BLE设备端测试程序和安卓手机端测试程序结果的比较，我们发现原始有效数据和加密的Key都一样的情况下，二者加密的数据和解密后的数据也都一致，这就保证了设备端把加密数据发给安卓手机端之后，安卓手机端可以成功解密，并且安卓手机端发送加密数据给设备端之后，设备端也可以成功解密。上述的安卓手机端测试代码是在Java工程中，后期要在安卓工程中使用的话，只需要将相关的方法拷贝出去，或者将上述测试的Java文件改写成安卓工程中的一个工具类即可。
Java端参考资料
AES参考代码如下：
算法/模式/填充 16字节加密后数据长度 不满16字节加密后长度
AES/CBC/NoPadding 16 不支持
AES/CBC/PKCS5Padding 32 16
AES/CBC/ISO10126Padding 32 16
AES/CFB/NoPadding 16 原始数据长度
AES/CFB/PKCS5Padding 32 16
AES/CFB/ISO10126Padding 32 16
AES/ECB/NoPadding 16 不支持
AES/ECB/PKCS5Padding 32 16
AES/ECB/ISO10126Padding 32 16
AES/OFB/NoPadding 16 原始数据长度
AES/OFB/PKCS5Padding 32 16
AES/OFB/ISO10126Padding 32 16
AES/PCBC/NoPadding 16 不支持
AES/PCBC/PKCS5Padding 32 16
AES/PCBC/ISO10126Padding 32 16可以看到，在原始数据长度为16的整数倍时，假如原始数据长度等于16*n，则使用NoPadding时加密后数据长度等于16*n，其它情况下加密数据长度等于16*(n+1)。在不足16的整数倍的情况下，假如原始数据长度等于16*n+m[其中m小于16]，除了NoPadding填充之外的任何方式，加密数据长度都等于16*(n+1)；NoPadding填充情况下，CBC、ECB和PCBC三种模式是不支持的，CFB、OFB两种模式下则加密数据长度等于原始数据长度。