BLE连接、配对和绑定

参考：一篇文章带你解读蓝牙配对绑定
参考：BLE安全之SM剖析(1)
参考：BLE安全之SM剖析（2）
参考：BLE安全之SM剖析(3)
参考：https://blog.csdn.net/chengbaojin/article/details/103691046
参考：https://www.cnblogs.com/lim11/p/11158153.html

连接

BLE连接示例

假设我们有一台手机A（以安卓手机为例），一个设备B（设备名称：Nordic_HRM），如下所示，我们可以通过安卓设置菜单里面的蓝牙界面，让两者连接起来。

• 打开安卓设置菜单
• 选择“蓝牙”条目
• 打开蓝牙
• 等待系统搜索结果，不出意外的话，设备“Nordic_HRM”会出现在结果列表中
• 点击“Nordic_HRM”，手机将与此设备建立连接

上述即为大家直观感受到的“连接”，那么手机要与设备Nordic_HRM建立连接，具体包含哪些流程？他们为什么可以连接成功？下面给大家一一道来。

广播（advertising）

在手机跟设备B建立连接之前，设备B需要先进行广播，即设备B（Advertiser）不断发送如下广播信号，t为广播间隔。每发送一次广播包，我们称其为一次广播事件（advertising event），因此t也称为广播事件间隔。虽然图中广播事件是用一根线来表示的，但实际上广播事件是有一个持续时间的，蓝牙芯片只有在广播事件期间才打开射频模块，这个时候功耗比较高，其余时间蓝牙芯片都处于idle状态，因此平均功耗非常低，以Nordic nRF52810为例，每1秒钟发一次广播，平均功耗不到11uA。

上面只是一个概略图，按照蓝牙spec，实际上每一个广播事件包含三个广播包，即分别在37/38/39三个通道上同时广播相同的信息，即真正的广播事件是下面这个样子的。

设备B不断发送广播信号给手机（Observer），如果手机不开启扫描窗口，手机是收不到设备B的广播的，如下图所示，不仅手机要开启射频接收窗口，而且只有手机的射频接收窗口跟广播发送的发射窗口匹配成功，手机才能收到设备B的广播信号。由于这种匹配成功是一个概率事件，因此手机扫到设备B也是一个概率事件，也就是说，手机有时会很快扫到设备B，比如只需要一个广播事件，手机有时又会很慢才能扫到设备B，比如需要10个广播事件甚至更多。

建立连接（connection）

根据蓝牙spec规定，advertiser发送完一个广播包之后150us（T_IFS，该值称为帧间隔，是指在同一个信道上连续两帧之间的间隔详见: 蓝牙核心卷，Vol 6, Part B，4.1.1），advertiser必须开启一段时间的射频Rx窗口，以接收来自observer的数据包。Observer就可以在这段时间里给advertiser发送连接请求。如下图所示，手机在第三个广播事件的时候扫到了设备B，并发出了连接请求conn_req。

上图的交互流程比较粗略，为此我们引入下图，以详细描述连接建立过程。

图5：连接建立过程

注：图中M代表手机，S代表设备B，M->S表示手机将数据包发给设备B，即手机开启Tx窗口，设备B开启Rx窗口；S->M正好相反，表示设备B将数据包发给手机，即设备B开启Tx窗口，手机开启Rx窗口。

如图所示，手机在收到A1广播包ADV_IND后，以此为初始锚点（这个锚点不是连接的锚点），T_IFS后给Advertiser发送一个connection request命令，即A2数据包，告诉advertiser我将要过来连你，请做好准备。手机在发完连接请求之后会被强制延时1.25ms，紧接着是发送窗口偏移，和发送窗口。发送窗口偏移可以是0到连接间隔之间的任意值，但必须是1.25ms的整数倍。从发送窗口开始从设备必须打开RX窗口用来接收手机发过来的P1数据包。如果发送窗口结束还没有收到P1数据包，那么从设备终止监听，并会在下一个连接间隔后再次尝试。从P1开始使用数据通道。Advertiser根据connect_req命令信息做好接收准备，connect_req包含如下关键信息：

• Transmit window offset，定义如图5所示
• Transmit window size，定义如图5所示
• connect_req数据包完整定义如下所示

• Initiator: 发起连接者的mac地址，BLE的MAC地址,随机地址的最高两位应该为11b
• Advertiser: 广播者的地址mac地址
• Access Address: 接入地址。LL层使用接入地址来区分当前发送的数据是广播包还是数据包，广播包接入地址固定为0x8E89BED6，数据包使用就是该值。
• CRC initialization value: CRC初始值
• transmitWindowSize: 发送窗口大小, 单位是1.25ms
• transmitWindowOffset: 发送窗口偏移, 单位是1.25ms
• connInterval: 连接间隔 单位是1.25ms
• connSlaveLatency: 从设备延时，表示从设备可以跳过多少个连接事件。
• connSupervisionTimeout: 监控超时。单位是10ms
• Channel Map: 信道图，表示当前环境中哪一个信道可用，每一个bit表示一个信道1表示可用，0表示不可用。比如ff ff ff ff 1f(0x1fffffffff), 二进制为0001111111111111111111111111111111111111b
• masterSCA: 00100b, 休眠时钟精度, 151 ppm to 250 ppm
• hopIncrement: 110b, 跳频算法的hop值，6

connect_req其实是在告诉advertiser，手机将在Transmit Window期间发送第一个同步包（P1）给你，请在这段时间里把你的射频接收窗口打开。设备B收到P1后，T_IFS时间后将给手机回复数据包P2。一旦手机收到数据包P2，连接即可认为建立成功。后续手机将以P1为锚点（原点），Connection Interval为周期，周期性地给设备B发送Packet，Packet除了充当数据传送功能，它还有如下两个非常重要的功能：

• 同步手机和设备的时钟，也就是说，设备每收到手机发来的一个包，都会把自己的时序原点重新设置，以跟手机同步。
• 告诉设备你现在可以传数据给我了。连接成功后，BLE通信将变成主从模式，因此把连接发起者（手机）称为Master或者Central，把被连接者（之前的Advertiser）称为Slave或者Peripheral。BLE通信之所以为主从模式，是因为Slave不能“随性”给Master发信息，它只有等到Master给它发了一个packet后，然后才能把自己的数据回传给Master。

对于主设备而言，连接请求一旦发出就认为连接已经建立。当从设备收到连接请求时，它也认为自己已经处在连接之中，连接已经创建，但不能证明完全确立。

连接失败

有如下几种典型的连接失败情况：

• 如图5所示，如果slave在transmit window期间没有收到master发过来的P1，那么连接将会失败。此时应该排查master那边的问题，看看master为什么没有在约定的时间把P1发出来。
• 如果master在transmit window期间把P1发出来了，也就是说master按照connect_req约定的时序把P1发出来了，但slave没有把P2回过去，那么连接也会失败。此时应该排查slave这边的问题，看一看slave为什么没有把P2回过去
• 如果master把P1发出来了，slave也把P2回过去了，此时主机还是报连接失败，这种情况有可能是master软件有问题，需要仔细排查master的软件。
• 还有一种比较常见的连接失败情况：空中射频干扰太大。此时应该找一个干净的环境，比如屏蔽室，排除干扰后再去测试连接是否正常。

连接事件

连接事件(Connection events)

连接成功后，master和slave在每一个connection interval开始的时候，都必须交互一次，即master给slave发一个包，slave再给master发一个包，整个交互过程称为一个connection event。蓝牙芯片只有在connection event期间才把射频模块打开，此时功耗比较高，其余时间蓝牙芯片都是处于idle状态的，因此蓝牙芯片平均功耗就非常低，以Nordic nRF52810为例，每1秒钟Master和Slave通信1次，平均功耗约为6微安左右。Master不可能时时刻刻都有数据发给slave，所以master大部分时候都是发的空包（empty packet）给slave。同样slave也不是时时刻刻都有数据给master，因此slave回复给master的包大部分时候也是空包。另外在一个connection event期间，master也可以发多个包给slave，以提高吞吐率。综上所述，连接成功后的通信时序图应该如下所示：

图7： 连接成功后的通信时序图（每个connection event只发一个包）

图9： 连接成功后的通信时序图（ connection event可能发多个包）

图10：connection event细节图

从设备延时

从设备延时(Slave latency)

图10中出现了slave latency（slave latency = 2），那么什么叫slave latency？

如前所述，在每一个connection interval开始的时候，Master和Slave必须交互一次，哪怕两者之间交互的是empty packet（空包），但如果slave定义了slave latency，比如slave latency = 9，此时slave可以每9个connection interval才回复一次master，也就是说slave可以在前面8个connection interval期间一直睡眠，直到第9个connection interval到来之后，才回复一个packet给master，这样将大大节省slave的功耗，提高电池续航时间。当然如果slave有数据需要上报给master，它也可以不等到第9个connection interval才上报，直接像正常情况进行传输即可，这样既节省了功耗，又提高了数据传输的实时性。

GAP层角色总结

对上面提到的手机和设备B，在BLE通信过程中，随着时间的推移，他们的状态在发生变化，两者的关系也在发生变化，为此蓝牙spec根据不同的时间段或者状态给手机和设备B取不同的名字，即GAP层定义了如下角色：

• advertiser。 发出广播的设备
• observer或者scanner。可以扫描广播的设备
• initiator。能发起连接的设备
• master或者central。连接成功后的主设备，即主动发起packet的设备
• slave或者peripheral。连接成功后的从设备，即被动回传packet的设备

图11通过时间把observer，initiator和central串起来了，其实这三个角色是相互独立的，也就是说一个设备可以只支持observer角色，而不支持initiator和central角色。同样，图11也把advertiser和peripheral串起来了，其实advertiser和peripheral也是相互独立的，即一个设备可以只作为advertiser角色，而不支持peripheral角色。

图11：GAP层角色

配对和绑定

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？本文将对以上问题进行论述。

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：

• 一是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。

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。

STK短期秘钥、LTK长期秘钥等

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。

https://blog.csdn.net/mcgrady_tracy/article/details/78424254
Just Works配对方式是不需要配对码的，也就是直连的。
密码方式进行配对，也就是Passkey Entry。打开手机，连接改设备时需要输入一个配对码，只有输入正确后才能正常连接。这个配对码是由底层协议栈随机生成的。

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。

Paring配对流程及命令

区别于传统蓝牙的配对过程，BLE的配对过程发生在连接过程之后。

配对是一个三阶段的过程。前两个阶段是必须的，第三阶段是可选的。

• 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。

• 阶段2：密钥生成阶段，包括(LE legacy pairing)短期密钥(STK)生成、(LE Secure Connections):长期密钥(LTK)生成。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2。
  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

• 阶段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。

在这里我们需要搞清楚两个概念：LE legacy pairing和LE Secure Connections。LE是“low energy”的缩写，是蓝牙4.0及以上版本的主要功能之一。在蓝牙4.2规范中，添加了LE物理传输的安全连接特性，升级了对蓝牙LE物理传输的配对，使用了FIPS-approved的算法(AES-CMAC和P-256椭圆曲线)。为了区分蓝牙4.0和4.1规范中定义的安全连接和配对，将其称为LE legacy pairing，而到蓝牙4.2版本后增加了LE Secure Connections的模式。

STK生成规则

• Just work： 没有加密 TK=0x00
• passkey entry： 密码输入如果 passkey 是 ‘019655’ TK的值就是0x00000000000000000000000000004CC7。
  将输入的值作为一个6位数的十进制，转换成16字节的十六进制。
• OOB： 带外的TK值是一个16字节的随机数，通过非BLE的方式传递给对端。

Paring流程如下所示：

阶段1：配对特性交换Paring流程及命令

设备首先在配对特征交换阶段交换IO能力来决定在第二阶段使用下面哪种方法：

• JustWorks:只工作
• PasskeyEntry：输入密码
• OutOfBand（OOB）:带外

LE Legacy Pairing - Just Works
Just Works方式不能抵抗窃听者和中间人攻击，只有在配对过程时没有遭受攻击，后面加密的链路的数据传输才是可信的。安全级别很低。

LE Legacy Pairing - Passkey Entry
这种方式通过输入6位数字的方式来进行配对，生成STK。6位数是随机产生的在000000到999999之间的数值，这个数值相当于一个TK，比如远端显示这个数字，需要在本地端输入这个数字给本地设备与远端配对。如输入019655，那此时的临时Key–TK是：0x00000000000000000000000000004CC7。

Out of Band 带外
这种方式是通过BLE之外的，设备上的其他方式来获取这个OOB data，比如通过IR红外，或其余的方式，因此对于蓝牙窃听者/攻击者而言这个data的传输是不可见的了，因此会显得要安全些。

配对请求的数据格式

1. IO capabilities表明输入，输出的能力

输入是按键、键盘，输出是显示数字用的界面。

• 0x00 DisplayOnly 只能是显示000000 ~ 999999的数字
• 0x01 DisplayYesNo 显示Yes/No 的按钮
• 0x02 KeyboardOnly 只能是输入000000 ~ 999999的数字
• 0x03 NoinputNoOutput 没有输入也没有显示，只能用Just work工作方式
• 0x04 KeyboardDisplay 能输入000000 ~ 999999的数字和输出

2. OOB data flag

• 0x00 OOB 数据没有发送
• 0x01 OOB 数据通过远端设备发送（如IR）
• 0x02-0xFF 保留

3. 身份验证请求

• Bonding_Flags b1b0 Bonding Type

• • 00 No Bonding
• • 01 Bonding
• • 10 Reserved
• • 11 Reserved

• MITM
  MITM域设置为1为请求MITM（中间人介入）保护，否则设置为0. 设备将标志设置为1为STK请求认证的安全属性。
  选择Key生成的方法
  如果auth Req中MITM没有，则说明不需要人参与中间，所以IO capabilities会被忽略，只用Just Works就OK了。
  如果有OOB data，auth Req将可直接忽略，会直接选择OOB的方式了。

• SC
  SC字段是一个1位标志，设置为1以请求LE安全连接配对，否则应根据发起方和响应方支持的功能将其设置为0，可能的结果配对机制为：如果两个设备均支持 LE安全连接，使用LE安全连接； 否则，请使用LE旧式配对。

• Keypress
  keypress字段是一个1位标志，仅在Passkey Entry协议中使用，而在其他协议中将被忽略。 当双方将该字段设置为1时，应使用SMP配对按键通知PDU生成并发送按键通知。

4. MaximumEncryptionKeySize

最大秘钥长度，7到16字节之间

5. InitiatorKeyDistribution

发起者的秘钥分配，该域表明秘钥初始化设备请求分配使用。

配对请求命令中的“生成”字段由主机使用，以请求发起者向响应者分发或生成哪些密钥。

6. ResponderKeyDistribution

响应者的秘钥分配，该字段表明秘钥初始化设备请求响应设备来分配秘钥分配使用。

配对请求实例

1. Code (1 octet)
   0x01 Pairing Request
2. IO Capability (1 octet)
   0x03 NoInputNoOutput: 用just work 认证方式
3. OOB data
   0x00 OOB（out of band）
   没有带外认证， 带外这种方式是通过BLE之外的，设备上的其他方式来获取这个OOB data，比如通过IR红外，或其余的方式，因此对于蓝牙窃听者/攻击者而言这个data的传输是不可见的了，因此会显得要安全些。
4. AuthReq (1 octet)
   AuthReq字段是一个位字段，指示STK和LTK以及GAP绑定信息的请求安全属性
   0x01 :表示绑定
5. MaxEncKeySize
   0x10 表示最大认证key大小是0x10个字节
6. InitiatorKeyDistribution
   该域表明秘钥初始化设备请求分配秘钥分配使用。
7. ResponderKeyDistribution
   001 该字段表明秘钥初始化设备请求响应设备来分配秘钥分配使用。

从设备向主设备向发送配对回复报文

具体字段含义参考 配对请求报文。

阶段2：密钥生成

配对确认

第一阶段的配对特征交换成功之后，用来启动STK生成。该命令被两个对等设备使用，来向对等设备发送确认值。初始化设备通过向响应设备发送配对确认命令启动STK生成。

报文格式

启动STK的生成，这一部分可简述为以下步骤的实现

1、Initiator生成128-bit随机数Mrand，并使用这个Mrand结合一些其他的输入，使用密码工具箱中c1计算出一个128-bit的Mconfirm值：

Mconfirm = c1(TK, Mrand,
Pairing Request command, Pairing Response command,
initiating device address type, initiating device address,
responding device address type, responding device address)

Responder也生成一个128-bit随机数Srand，并使用这个Srand结合一些其他的输入，使用密码工具箱中c1计算出一个128-bit的Sconfirm值：

Sconfirm = c1(TK, Srand,
Pairing Request command, Pairing Response command,
initiating device address type, initiating device address,
responding device address type, responding device address)

2、Initiator将其计算的Mconfirm值通过Pairing Confirm包发送给Responder，而Responder也将其计算的Sconfirm值通过Pairing Confirm包发送给Initiator；
3、Initiator收到Sconfirm后，再将Mrand值通过Pairing Random包发送给Responder；
4、Responder收到Mrand值后计算它的Mconfirm值，再跟前面那个Initiator送过来的Mconfirm值进行比较，若不同说明配对失败了。若相同，则Responder也会将它的Srand值通过Pairing Random包发送给Initiator；
5、而Initiator也会计算收到的Srand值的Sconfirm值，并跟前面那个Responder送过来的Sconfirm值进行比较，若不同说明配对失败了，若相同，继续。

报文实例

主设备向从设备发送配对确认报文，从设备也向主设备发送配对确认报文。

随机配对

该命令用来由初始化和响应设备发送，用来计算在配对确认命令中的确认值的随机数。

报文数据格式

报文实例

主设备向从设备发送配对随机值报文，从设备也向主设备发送配对随机值报文。

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。

阶段3：秘密信息分发

所有的键和值都由主从设备分发。

要分发的密钥由配对请求和配对响应的密钥分发参数决定，
配对请求和配对响应来自第一阶段配对特征交换

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 adresss

对于LESC paring，秘密信息分发是可选，一般有可能分发如下信息：

• IRK
• Identity adresss

如下为legacy paring可能分发的最多秘密信息的一个例子：

BLE的SMP的一些Key相关定义

• Long Term Key (LTK)：加密链路用，128-bit；

• Encrypted Diversifier (EDIV)：在LE legacy pairing过程中，用于识别LTK分发，16-bit；

• Random Number (Rand)：在LE legacy pairing过程中，用于识别LTK分发，64-bit。

• Identity Resolving Key (IRK)：用于生成和解析random address用的，128-bit；

• AddrType (1 octet)
  如果BD_ADDR是公共设备地址，则AddrType应设置为0x00。
  如果BD_ADDR是静态随机设备地址，则AddrType应设置为0x01。
  BD_ADDR（6个八位字节）此字段设置为分发设备的公共设备地址或静态随机地址。

• Connection Signature Resolving Key (CSRK)：用于对数据进行签名已经验证签名数据，128-bit；

特定key分发原因

密钥分发阶段的从设备将密钥发送给主设备，这样就可以对重新连接进行加密，并解析其随机地址。或者，主设备可以验证来自从设备的签名数据，主设备也可以向从设备提供密钥，这样，如果角色互换，可以对重连接进行加密，可以解析主设备的随机地址，或者从设备可以验证来自主设备的签名数据。

绑定，重连和加密

绑定就是将配对阶段产生的一系列key 保持到flash中，以便后续使用。

以上这个过程的报文交互如下图：

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：

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）

其他注意的点

苹果手机的一点不同：

安卓手机允许用户手动发起paring请求，而苹果手机则没有这个功能。因此，即使你的characteristic没有使能安全级别，安卓手机还是可以跟你的设备完成配对的，而苹果手机则不支持这个功能，苹果手机要不要跟设备进行配对，不能由人来控制的，只能由苹果iOS来控制。

欲触发苹果iOS发起配对请求，有两种方法：

• 一是将某个characteristic加上安全认证权限，这样iOS在服务发现过程中就会自动发起配对请求，以满足characteristic的安全认证级别；
• 二是从机端主动发起安全请求，iOS收到从机的安全请求后，会等待用户的授权确认从而发起配对请求。这两种方法在ble_app_gls中都有体现，大家可以参考相关代码。

重连加密等级：

绑定成功后，如果发生重连，那么主机应该自动发起加密连接请求，以对连接进行加密。一般来说，在连接没有成功加密前，主从机不要做敏感数据的交互，否则softdevice API会报NRF_ERROR_FORBIDDEN。对于有MITM保护的加密连接，在收到PM_EVT_CONN_SEC_SUCCEEDED这个事件后，设备应该去检测连接的安全等级是否符合要求，具体可参考ble_app_gls例子的做法。

Service changed（服务改变）：

设备跟手机绑定成功后，手机再次重连这个设备时，就会自动跳过service discovery过程，换句话说，配对的时候手机会把设备所有服务和characteristic的handle保存下来，二次重连的时候，直接用以前保存的 handle 值去操作设备。

但是，如果设备的服务改变了，此时手机再用之前的 handle 去操作设备，就会出问题。为了解决这个问题，在GATT主服务里面引入了 service changed characteristic，如下所示：

有了这个characteristic，当设备的服务发生改变时，设备就可以通过这个characteristic发送一个indicate PDU给到手机，从而手机知道设备的服务已发生了改变，此时手机会重新发起service discovery流程，以重新获得service和characteristic最新的handle列表。欲添加service changed characteristic，你只需在sdk_config.h文件中打开如下两个宏：

然后当服务发生改变时，调用pm_local_database_has_changed()，协议栈就会自动发起service changed indicate PDU给手机，从而引起手机重走服务发现过程。

删除主机端绑定信息：

如果手机端删除了绑定信息，为了安全起见，设备端也需要跟着一起删除绑定信息，否则手机无法再次跟设备进行配对，这个是最理想的情况，但是我们有的设备没有任何输入接口，无法手动删除绑定信息，这个时候能不能有一种办法可以让手机跟设备进行二次配对呢？

为此，Nordic提供了一种workaround，在蓝牙事件回调函数里面，加上如下代码即可：

​    if (p_evt->evt_id == PM_EVT_CONN_SEC_CONFIG_REQ)

​    {

​        pm_conn_sec_config_t cfg;

​        cfg.allow_repairing = true;

​        pm_conn_sec_config_reply(p_evt->conn_handle, &cfg);

​    } 

这样，即使用户把手机端paring信息删掉，设备端paring信息没有删掉，手机还是可以跟设备进行二次配对的。

删除从机端绑定信息：

跟上面相反，如果设备端 bonding 信息被删除了，而手机端 bonding 信息没有被删除，这种情况下如何实现二次配对？

最安全的方式，让用户主动删除手机端绑定信息，但是很多开发者希望，用户体验好一点，也就是说，碰到这种情况希望手机能自动删除绑定信息，这个能不能实现跟手机有很大关系，首先我们确保协议栈返回LL_REJECT_IND or LL_REJECT_EXT_IND，错误码为“PIN or key missing”，一般而言，手机收到这个PDU后，都会自动删除bonding信息。

如果上述方法行不通的话，那么发送完LL_REJECT_IND后再调用断开函数（sd_ble_gap_disconnect），同时将断开原因设为BLE_HCI_AUTHENTICATION_FAILURE即可。

同时绑定多个设备：

Nordic SDK是支持一个设备同时跟多个主机绑定，只要设备存储空间足够大，那么可以绑定的设备数就不设限。nRF5 SDK中bonding信息也是通过fds来存储的，也就是说绑定信息和用户Flash数据共享同一块空间，如果需要绑定多个设备，那么FDS_VIRTUAL_PAGES这个宏的值必须进行修改，以保证分配的Flash空间可以同时容纳bonding信息和用户Flash数据。

一般来说，如果需要绑定多个设备，请设置一个最大绑定数，比如8个，这样，一旦检测到绑定数达到8了，就可以把以前老的bonding设备删除，从而节省存储空间。那如何知道哪个设备是老设备哪个设备是新设备？这个是通过peer rank来实现的，大家只要使能PM_PEER_RANKS_ENABLED这个宏，就可以自动实现排序。

循环绑定测试：

很多开发者喜欢做循环绑定测试，即同一部手机不断跟同一个设备进行配对，然后删除配对信息，然后再进行配对，他们测试下来发现：

达到一定次数后，设备就工作不正常了，这个是由于当bonding信息不断累积而不进行删除的话，那么分配给fds的Flash空间就会耗尽，从而导致异常出现（最新的SDK会在Flash存储空间耗尽时，自动删除最老设备的绑定信息，但即使这样，对用户Flash数据的操作影响还是很大）。

解决这个问题的方法就是设定一个最大bonding数，达到这个数目后，删除老bonding信息，从而达到循环利用Flash空间的目的。当然如果你的fds只是用来存储bonding信息而不做其他用户数据操作的话，那么就没有必要加上这个功能了。

白名单与绑定：

虽然白名单和绑定二者没有任何联系，但是我们一般都把两者结合起来一起使用，以达到我们的使用期望。当两个设备绑定成功后，我们就可以将对方的mac地址或者IRK放入白名单中，同时开启白名单广播，这样设备只跟白名单中的主机进行连接，白名单以外的设备在controller层面就被过滤掉了，从而提高私密性以及连接效率。

这样，即使用户把手机端paring信息删掉，设备端paring信息没有删掉，手机还是可以跟设备进行二次配对的。

这种情况下，哪怕是合法的设备，如果之前没有跟设备绑定，那么它也无法跟设备建立连接。换句话说，如果你想把新设备加入到白名单中，那么首先需要禁止白名单广播而采用普通广播，然后跟新设备进行配对，成功后再把新设备身份信息加入到白名单中。白名单与绑定的例子具体可参考：ble_app_hids_keyboard。

Authenticated payload timeout：

大家都知道蓝牙连接有一个 supervision timeout 时间，也就是说，当建立连接的两个设备，任何一方在supervision timeout（比如4s）时间内，没有给对方发送任何蓝牙空口包，此时认为连接已断开，并触发 supervision timeout 事件。

当设备双方建立加密连接后，不仅有上述的supervision timeout，还有一个authenticated payload timeout，authenticated payload timeout默认为30s，它的意思是，两个设备加密后，30s内必须有一个有数据的空口包交互，而不能一直发空包，否则认为authenticated payload timeout。

Authenticated payload timeout是协议栈自动管理的，对软件开发来说是透明的，每30s时间到，如果期间没有任何有效数据包交互（一直在发空包），协议栈会自动发送一个ping request给对方，以避免authenticated payload timeout的出现（注：这里的协议栈既可以是设备的协议栈，也可以是手机的协议栈）。

有时候不想等到30s超时到了再发送ping request，大家可以在connected事件中，调用如下API以提前发出ping request。

当然，如果你能保证每30s时间内，手机和设备之间肯定会有有效数据包交互，或者手机端能及时准确地发出ping request，那么上述过程就完全没有必要了。

评论：你好，请问如果NRF52840和手机已经配对绑定了，手机如何下次自动连接呢？不通过nrf Connect App。就像一般蓝牙耳机一样。

回答：完成了绑定流程之后，手机端和设备端会存储对方的信息密钥。后面收到设备的广播后，手机会自动发起回连的，信息和密钥验证成功后，就回连成功了。