蓝牙Mesh设备配网过程及抓包分析
配网过程
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- 说明
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- Mesh消息类型
- 配网过程
- 信标阶段(Beaconing)
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- Unprovisioned Device beacon
- Link Open/Link ACK/Link Close
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- Link Open
- Link ACK
- Link Close
- 邀请阶段(Invitation)
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- Provisioning Invite
- Provisioning Capabilities
- 交换公钥阶段(Exchanging public keys)
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- Provisioning Start
- Provisioning Public Key
- 身份认证阶段(Authentication)
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- Provisioning Confirmation
- Provisioning Random
- 分发配网数据阶段(Distribution of provisioning data)
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- Provisioning Data
- Provisioning Complete
- Provisioning Failed
- 其他
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- Secure Network beacon
说明
使用的例程目录：nrf5sdkformeshv500src\examples\light_switch\client
抓包使用的软件：Wireshark
抓包方法：使用Nordic的nRF52840 Dongle配合Wireshark对蓝牙设备抓包（BLE）
Mesh消息类型
配网过程
配网过程主要分为五个阶段：
- 信标阶段
- 邀请阶段
- 交换公钥阶段
- 身份认证阶段
- 分发配网数据阶段
信标阶段(Beaconing)
信标阶段就是让配网器发现并选择周边未配网设备，然后建立连接的过程。
支持PB-ADV的未配网设备会持续一定时间以某个频率向外广播未配网设备信标，以让周边的配网器能够发现这个未配网设备，未配网设备信标中包含这个设备的UUID。配网器收到未配网设备的信标之后，会和未配网设备建立一条链接，然后进行配网。蓝牙mesh规范中规定PB-ADV和PB-GATT都可以承载链接，比如可以直接使用Nordic官方的mesh app配网，这个时候这个链接就是PB-GATT承载的。
Unprovisioned Device beacon
由未入网设备发起的信标，配网器收到信标后，可以与该设备进行配网操作。格式定义：
Beacon Data部分字段结构：
字段定义：
抓包结果：
广播地址：广播地址使用的是MCU的FICR寄存器的DEVICEADDR[0]和DEVICEADDR[1]的低16位，从MCU手册中获取信息如下：
对应例程advertiser.c中的advertiser_address_default_get()函数：
UUID：UUID使用的是MCU的FICR寄存器的DEVICEID[n]和DEVICEADDR[n]（n为0或1），同时需要修改版本和变体位。
对应例程nrf_mesh_configure.c中的nrf_mesh_configure_device_uuid_reset()函数：
通过观察可以发现，设备发送未配网信标的时间间隔为2s，这个参数是由NRF_MESH_PROV_BEARER_ADV_UNPROV_BEACON_INTERVAL_MS宏定义决定的，位于nrf_mesh_config_prov.h中，并在prov_bearer_adv.c的send_unprov_beacon()函数中调用。
Link Open/Link ACK/Link Close
配网承载控制PDU用于管理承载上的会话，因为承载本身没有会话管理功能。数据格式：
其中承载操作码如下：
Link Open
Link Open消息如下：BearerOpcode为0x00，GPCF为0b11，Device UUID为要选择的未配网设备信标中的UUID。
Link ACK
Link ACK消息如下：无参数
Link Close
Link Close消息如下：Reason字段表示链接关闭的原因。
Reason字段可能的值：
邀请阶段(Invitation)
邀请阶段主要是交互诸如设备能力等信息，这些信息用于后续的配网操作。
Provisioning Invite
配网邀请(Provisioning Invite)由配网器发给未配网设备，字段如下：
提示时间(Attention Duration)长度为1字节，0表示关闭，非0表示剩余的时间，单位为秒。对于不支持提示时间的设备，提示时间应该设置为0，如果一个元素的提示时间为非0值，则提示时间状态为打开，并按秒递减至0。就是待配网设备可以用这个参数的时间通过LED，蜂鸣器这种的来指示状态。
配网器发起邀请PDU，提示时间为5s:
Provisioning Capabilities
未配网设备收到消息后需要响应配网能力。配网能力(Provisioning Capabilities)由未配网设备发送给配网器，字段如下：
Number of Elements：表示设备含有的元素个数。
例程中宏定义位于nrf_mesh_config_app.h中。
Algorithm：配网算法，目前只支持ECDH（椭圆曲线迪菲-赫尔曼秘钥交换）。
Public Key Type：设备的公钥类型，是否支持OOB。
Static OOB Type：设备是否支持静态OOB。
Output OOB Size：输出式OOB的最大信息长度。
Output OOB Action：输出式OOB的输出动作类型。
Input OOB Size：输入式OOB的最大信息长度。
Input OOB Action：输入式OOB的输入动作类型。
待配网设备收到配网邀请后在例程中prov_provisionee_pkt_in()函数中处理，如果处理成功会通过send_capabilities()函数来响应配网能力。
未配网设备响应配网能力，3个元素，支持静态OOB：
交换公钥阶段(Exchanging public keys)
配网器与未配网设备配网时，需要发布网络密钥与地址，这些信息与mesh网络的安全性有关。因此要求配网双方进行身份验证。蓝牙mesh使用非对称密钥算法为著名的ECDH算法，可以在仅交换公钥的情况下协商出外部无法获知的密钥。
如果不使用OOB公钥，设备双方应该交换公钥。
否则，如果公钥可以通过OOB机制（双方通过二维码、NFC等方式）获得，则提供方应生成新的密钥对，生成的密钥对的公钥应从提供方传输到设备，并使用适当的OOB技术从设备读取静态公钥。
Provisioning Start
配网开始(Provisioning Start)由配网器发送给未配网设备，告知未配网设备交换公钥流程开始，同时从前面配网能力(Provisioning Capabilities)消息中选择具体方式。数据格式如下：
Algorithm：配网算法模式，目前只支持ECDH（椭圆曲线迪菲-赫尔曼秘钥交换）。
Public Key：设备端是否使用OOB公钥。
Authentication Method：身份认证模式选择。
Authentication Action：OOB模式下的认证行为。
Authentication Size：OOB模式下的认证长度。
配网器发起配网开始PDU，没有OOB公钥，使用静态OOB认证:
在例程中未配网设备收到Provisioning Start消息后，在prov_provisionee_pkt_in()函数中处理：
Provisioning Public Key
配网双方交换公钥后需要验证收到的公钥的有效性，如果验证为无效的公钥，则退出配网流程。
配网器交换公钥PDU：
在例程中未配网设备收到Provisioning Public Key消息后，在prov_provisionee_pkt_in()函数中处理，switch分支为PROV_PDU_TYPE_PUBLIC_KEY，如果不使用OOB公钥，则未配网设备发送自己的公钥。
未配网设备交换公钥：
当双方公钥验证结束后，进入身份认证阶段。
身份认证阶段(Authentication)
在蓝牙mesh规范中，身份认证过程包含了设备端和配网器的认证，两者均会和对方交换一个Confirmation Value，以此生成此Confirmation Value的Random Value。Confirmation Value的计算使用了ECDH密钥、配网交互数据包及OOB认证消息。当一方收到完整的Confirmation Value和Random Value，会根据ECDH密钥、配网交互数据包及OOB认证消息对Random Value重新计算，然后生成一个Confirmation Value，与收到的Confirmation Value比较，如果相同则认证成功，失败则退出配网。两者均验证成功，则整个认证流程结束。
根据配网器与未配网设备的输入输出能力，蓝牙mesh规范中定义了三种认证方式：
①输出式OOB认证
②输入式OOB认证
③静态OOB或无OOB认证
这三种方式命名我的理解是都相对于未配网设备的来说的。
输出式OOB认证要求未配网设备能够有显示随机数的能力，比如通过LED闪烁，或者屏幕显示；同时配网器要有比如按键这种的来输入识别到的随机数。
输入式OOB认证要求配网器能够有显示随机数的能力，比如通过LED闪烁，或者屏幕显示；同时未配网设备要有比如按键这种的来输入识别到的随机数。
静态OOB认证双方交换Confirmation Value和Random Value，对于没有有效的输入输出方式的设备来说，是比较安全友好的认证方式；无OOB认证比较危险，无法得知是否存在中间人，使整个mesh网络遭受攻击。
输出式OOB认证和输入式OOB认证就是我们之前连接蓝牙的时候根据屏幕上显示的随机数输入，然后进行蓝牙配对。
Provisioning Confirmation
配网确认值(Provisioning Confirmation)消息PDU由配网器或者未配网设备发给对端设备。数据格式：
配网器发送配网确认值PDU:
在例程中未配网设备收到Provisioning Confirmation消息后，在prov_provisionee_pkt_in()函数中处理，switch分支为PROV_PDU_TYPE_CONFIRMATION，未配网设备发送自己的确认值。
待配网设备发送配网确认值PDU:
Provisioning Random
配网随机数(Provisioning Random)消息PDU由配网器或者未配网设备发给对端设备。数据格式：
配网器发送随机数PDU:
在例程中未配网设备收到Provisioning Random消息后，在prov_provisionee_pkt_in()函数中处理，switch分支为PROV_PDU_TYPE_RANDOM，未配网设备发送自己的随机数。
待配网设备发送随机数PDU:
分发配网数据阶段(Distribution of provisioning data)
在配网过程中，最后也是最重要的一个阶段是分发配网数据。在此阶段中，配网器负责生成并分发配网数据到未配网设备。配网数据包括如’'Network Key(网络密钥)"、"Unicast Address(单播地址)"等重要数据项。
为了安全的分发配网数据，配网器需要使用AES-CCM算法来加密配网数据，此加密算法涉及两个加密密钥参数：Session Key和Session Nonce，这两个参数均由ECDH派生。
Provisioning Data
分发配网数据(Provisioning Data)PDU格式如下：
Encrypted Provisioning Data：加密配网数据字段如下：
配网器分发配网数据：
在例程中未配网设备收到Provisioning Data消息后，在prov_provisionee_pkt_in()函数中处理，switch分支为PROV_PDU_TYPE_DATA。
Provisioning Complete
配网完成(Provisioning Complete)PDU由节点（接收到配网数据后，未配网设备变成mesh网络中的节点）发送给配网器，无参数，在例程中switch分支为PROV_PDU_TYPE_DATA中处理完成后发送：
Provisioning Failed
配网失败(Provisioning Failed)PDU由未配网设备发送给配网器。数据结构如下：
错误码一共9种，禁止配网、无效PDU、无效格式、非预期PDU、确认失败、资源不足、解密错误、非预期的错误和无法非配地址。错误码对应值如下：
其他
Secure Network beacon
网络安全信标(Secure Network beacon)用于让mesh节点明确子网及自身的安全状态，在IV Index Update以及Key Refresh过程中被使用。数据格式：
字段说明：
Flags字段定义：
子网中节点在收到网络安全信标之后，应该首先对其鉴权，鉴权完成后，数据包被接收。两个连续Beacon的发送间隔被称为Beacon Interval，在具体实现中，为了防止mesh网络中因含有过多的Beacon而过载，在设置Beacon Interval应该有合理的退避过程。理想状态是，一个子网节点大概每10s收到一个Beacon。
对于每个子网，应该分别设定Beacon Interval。节点应该持续记录一段时间(Observation Period)内的Beacon数量，然后按照下面的公式来计算Beacon Interval。
Beacon Interval = Observation Period * (Observed Number of Beacons + 1) / Expected Number of Beacons
其中Observation Period应该是常规Beacon Interval的两倍，Observed Number of Beacons是在Observation Period内记录到的Beacon数量，Expected Number of Beacons应该是Observation Period除以10s。
如果计算出来的结果小于10s，则将Beacon Interval设置为10s，如果计算出来的结果大于600s，则将Beacon Interval设置为600s。
网络安全信标抓包：
网络安全信标间隔Beacon Interval：
例程中默认的网络信标间隔为10s，宏定义是NRF_MESH_BEACON_SECURE_NET_BCAST_INTERVAL_SECONDS，位于nrf_mesh_define.h。
Beacon Interval更新需要的相关参数及计算位于net_beacon.c中：
Beacon Interval更新函数位于net_beacon.c中：
网络安全信标初始化函数也位于net_beacon.c中：
