CCC数字钥匙设计【BLE】--PE进入流程&建立BLE加密连接

1、PE进入流程

PE进入的流程大体可以拆解为如下步骤：

1、手机与车端建立BLE加密连接；

2、创建URSK流程；

3、时间同步流程；

4、UWB测距流程；

5、根据各锚点BLE的RSSI及UWB的距离值，通过定位算法进行手机位置的定位；

6、若检测手机在合法区域，则进行迎宾、解锁。

本文档主要描述上面步骤1（PE进入过程中与BLE通信相关的流程）的内容。

若BLE pairing和Encryption已经执行完成，之后手机靠近车辆时，将会启动PE进入流程。具体流程如下图。

1.1 步骤1：建立BLE连接

1、 车端BLE模块进行广播，手机进行扫描。

2、 采用RPA地址(resolvable private address)的方式。

3、 建立车端与手机的BLE连接。

1.2 步骤2：启动BLE加密

该步骤的流程如下图，具体可详见BLE5.0规范Vol6 Part D。

1、链路层通过Host的请求进行此操作，可以使用加密启动进程，在进入链接状态后启用数据包的加密。为了使能加密，必须交换两个参数，IV和SKD。两者都由两部分组成：master部分和slave部分，通过LL_ENC_REQ 和 LL_ENC_RSP PDUs进行交换。在交换完成以及Host已经通知链路层长期秘钥(LTK)在链接中使用时，加密可以使用三方握手的方式LL_START_ENC_REQ 和 LL_START_ENC_RSP PDUs。具体流程如上图。

2、为了启动加密，master的链路层需要生成初始化向量(IVm) 和会话密钥(SKDm)的master部分。IVm为master的链路层生成的32位的随机数。SKDm为master的链路层生成的64位随机数。

3、master的链路层需要发送LL_ENC_REQ PDU，Rand 和 EDIV字段由Host提供。在master收到LL_ENC_RSP PDU应答后，只期望收到这个进程需要的PDUs。

4、当slave的链路层接收到LL_ENC_REQ PDU，slave的链路层需要生成初始化向量(IVs) 和会话密钥(SKDs)的slave部分。IVs为slave的链路层生成的32位的随机数。SKDs为的slave链路层生成的64位随机数。

5、slave的链路层需要发送LL_ENC_RSP PDU，slave的链路层需要将EDIV和Rand字段通知给Host。发送完LL_ENC_RSP PDU以后，slave的链路层可以收到对应于slave发送的LL Control PDU的LL_UNKNOWN_RSP PDU。

每个链路层需要按照下面方式合并初始向量部分以及会话密钥部分：

SKD = SKDm || SKDs

IV = IVm || IVs

SKDm 和 SKDs进行组合，SKDm的最低有效字节成为SKD的最低有效字节，SKDs的最高有效字节成为SKD的最高有效字节。

IVm 和 IVs进行组合，IVm的最低有效字节成为IV的最低有效字节，IVs的最高有效字节成为IV的最高有效字节。

6、长期秘钥(LTK)由Host提供给master和slave的链路层，如果Host提供了LTK，slave的链路层需要使用以LTK为秘钥的加密引擎计算sessionKey，并且SKD作为明文输入，sessionKey参数需要设置为加密引擎的数据。

7、sessionKey 应用作为所有加密数据包的加密引擎的秘钥。

sessionKey计算出来以后，slave的链路层需要发送LL_START_ENC_REQ PDU，这个数据包不需要加密，并且链路层应设置为接收应答的加密数据包。

8、当master的链路层接收到LL_START_ENC_REQ PDU，需要发送LL_START_ENC_RSP PDU。这个PDU是加密的，并且链路层需要设置为接收加密后的应答数据包。

9、当slave的链路层收到LL_START_ENC_RSP PDU后，它需要发送LL_START_ENC_RSP PDU，这个数据包是加密的。

10、当master的链路层收到LL_START_ENC_RSP PDU，则链路已经进行了加密。

这个进程在master端结束于master收到来自slave的LL_START_ENC_RSP PDU。在slave端结束于slave收到来自master的LL_START_ENC_RSP PDU。

1.3 步骤2.5：服务发现流程

结合CCC规范19.2.1.1中的Figure 19-2，在步骤2和步骤3中间应该还有一个服务发现的流程。具体如下。

1.4 步骤3：Device read SPSM and version from vehicle

1、手机发送命令给车端，读取SPSM：

ATT_READ_BY_TYPE_REQ(0x0001，0xFFFF，《UUID_SPSK_DCK_VERSION》)。

2、车端响应数据给手机：

ATT_READ_BY_TYPE_RSP(4+2*n+k*n, handle, “SPSM”, “DCK Major Version”, “DCK Minor Version”, ”1” ,”3”)

在CCC规范19.2.1.7中对SPSM特征有进了相关描述：

1.4.1 SPSM特征说明

SPSM，英文全称为Simplified Protocol/Service Multiplexer

1) 该特征将从车辆返回用于L2CAP信道的SPSM

2) 手机应在连接时，读取车辆的SPSM。

3) 由整车厂选择一个SPSM。

4) 对于基于LE credit的连接，使用动态分配的SPSM值(即在0x0080-0x00FF中,非SIG分配的SPSM值)

5) 在执行PE进入流程和车主配对流程时，手机应该基于BLE连接执行如下过程：

a. 通过UUID读取特征(使用UUID_SPSM或UUID_SPSM_DK_VERSION)。

b. 通过UUID写入特征(对于UUID_DEVICE_DK_VERSION)

1.4.2 SPSM特征信息

表19-7 SPSM Characteristic declaration

表19-8 SPSM Characteristic value declaration

表19-9 Vehicle SPSM and DK version Characteristic Declaration

表19-10 Vehicle SPSM and DK Version Characteristic Value Declaration

1.5 步骤4：Device write version to vehicle

1、手机发送命令给车端，请求写入version：

ATT_WRITE_REQ(handle for 《UUID_DEVICE_DCK_VERSION》, “DCK Major Version”, “DCK Minor Version”, ”1” ,”3”)

2、车端响应数据给手机：ATT_WRITE_RSP()

表19-11 Device Selected DK Version Characteristic Declaration

表19-12 Device Selected DK Version Characteristic Value Declaration

1.6 步骤5：Create L2CAP connection-oriented channel(CoC)

L2CAP英文全称为 Logical Link Control and Adaptation Protocol

L2CAP用来建立通道的，有0x0004用于ATT协议，0x0005用于L2CAP信令，0x0006用于安全管理。除此之外，还能建立很多其他协议通道。

L2CAP建立不同的协议管道，管道以下就是PDU，管道上就是用户数据。

L2CAP还可建立Dynamic 动态管道，如下图的0x0040-0x007F。（这个dynamic表达的是用户可以随意创建开闭）

下图标绿的通道是BLE可以使用通道。

1.7 步骤6：Capability Exchange

该步骤是可选的，具体说明如下。

如果车辆或手机具有更新的DK协议版本、UWB配置标识符、脉冲形状组合，或这些参数的组合，这些参数与上次Capability Exchange期间的参数不同，则应执行车主配对的Capability Exchange。

手机通过发送DK Event Notification（Subevent_Category设置为0x01，对应的command status code设置为0x02）触发Capability Exchange。车辆收到DK Event Notification后，则启动Capability Exchange，具体流程如下图。

1.8 步骤7：Digital Key Framework Secure Data exchange(encrypted over L2CAP CoC)

之后在执行UWB测距期间进行蓝牙数据通信均是基于L2CAP CoC通道来进行。比如TimeSync流程或Secure Ranging Setup流程等。

2、总结

PE进入流程中与BLE通信相关的流程，可以总结为如下几个步骤：

1、建立BLE连接

2、启动BLE加密，这个步骤之后的通信即是加密的。

3、服务发现流程

4、手机读取车辆的SPSM和版本

5、手机写入DK version到车端

6、建立L2CAP 通道CoC

7、Capability Exchange（可选）

8、UWB测距交互相关的蓝牙通信，如时间同步等。

3、参考

1、 参考文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/634546351

2、 参考标准：CCC-TS-101-Digital-Key-R3.pdf