蓝牙协议分析(10)_BLE安全机制之LE Encryption

作者:wowo 发布于:2017-3-28 11:52 分类:蓝牙

1. 前言

前面文章介绍了两种BLE的安全机制:白名单[4]和LL privacy[3]。说实话,在这危机四伏的年代,这两种“捂着脸讲话(其它人不知道是谁在讲话,因而不能插话、不能假传圣旨,但讲话的内容却听得一清二楚)”的方法,实在是小儿科。对于物联网的应用场景来说,要做到安全,就必须对传输的数据进行加密,这就是LE Encryption要完成的事情(当然,只针对面向连接的数据),具体请参考本文的介绍。

2. 基本概念

从字面理解,Encryption是一个名词,意思是“加密术”,因此LE Encryption就是“BLE所使用的加密技术”的意思。了解加密概念的同学应该都知道,通信过程中的加密无非就是如下简单的流程:

数据发送方在需要发送数据的时候,按照一定的加密算法,将数据加密;

数据接收方在接收到数据的时候,按照等同的解密算法,将数据解密。

因此,对LE Encryption来说,需要考虑的事情无非就两条:

1)加密/解密的事情,需要在协议的哪个层次去做?

2)使用什么样的加密/解密算法?

对问题1来说,很好回答:无论是从安全的角度,还是从通信效率的角度,都应该由链路层(LL,Link Layer[1])在发送/接收数据的时候,完成加密/解密动作(具体可参考)。而问题2呢,到底要使用什么的算法,这是蓝牙标准化组织的事情,我们在本文只需要了解最终的结论即可(具体可参考)。

3. packet的加密/解密过程

LE加密/解密的过程如下面图片1所示:

LE加密解密

图片1 LE加密/解密过程

Master/Slave的LE Host会保存一个LTK(Long Term Key,至少128bits),对BLE用户(或者应用)来说,这个Key是所有加密/解密动作源头;

每当为某个LE连接启动加密传输的时候,Master和Slave的LL会协商生成一个128bits的随机数SKD(Session Key Diversifier,128bits),并以它为输入,以LTK为key,通过Encryption Engine加密生成SessionKey;

每当有明文数据包需要发送的时候,需要对明文进行加密。加密的过程,是以明文数据包为输入,以SessionKey为Key,同样通过Encryption Engine加密生成密文数据包;

同样,每当收到密文数据包的时候,需要对密文解密。解密的过程,是以密文数据包为输入,以SessionKey为Key,同样通过Encryption Engine解密生成明文数据包。

理解了加密/解密的过程之后,问题随之而来:

1)LTK是怎么来的?

2)SKD是个什么东西?怎么来的?

3)Encryption Engine又什么东西呢?

对于问题1,需要由SMP解答(也就是我们常说的配对过程),具体可参考后续的文章。问题3比较单纯,就是一个由Bluetooth specifiction所规定的加密算法,后面会单独写一篇文章介绍。而问题2,则涉及到LE Encryption的操作流程,具体可参考后面第4章的介绍。

4. Encryption Procedure

LE Encryption的过程主要由Link Layer控制(具体可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 6, Part B] 5.1.3 Encryption Procedure”):当连接建立之后,Link Layer可以应Host的请求,使能对数据包的Encryption操作,过程如下(具体可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 6, Part D]  6.6 START ENCRYPTION”):

LE encryption

图片2 Start Encryption

1)Host A发送LE Start Encryption HCI命令,请求Link Layer启动加密。该命令的格式如下:

Command OCF Command parameters Return Parameters
HCI_LE_Start_Encryption 0x0019 Connection_Handle
Random_Number
Encrypted_Diversifier
Long_Term_Key
 

Connection_Handle,连接句柄;
Random_Number和Encrypted_Diversifier分别简称为Rand和EDIV(Rand是一个64bits的随机数,EDIV是一个16bits的Diversifier),它们在LE Legacy Pairing的过程中,用于在多个LTK标识某一个具体的LTK。而在新的LE Secure Connections Pairing过程中,则不再使用(赋值为0即可)。关于LE的配对过程,可参考后面SMP的分析文章,这里不再详细描述;
Long_Term_Key,保存在Host段的加密key。

2)LL A收到Host的加密请求之后,会向LL B发送LL_ENC_REQ PDU以请求加密,该PDU的格式为:

Rand (8 octets) EDIV (2 octets) SKDm (8 octets) IVm (4 octets)

Rand和EDIV就是上面的Random_Number和Encrypted_Diversifier;
SKDm(session key diversifier ),是一个64bits的随机数,用于和SKDs一起,生成本次加密的SessionKey;
IVm(initialization vector ),一个32bits的随机数,和IVs一起组成64bits的IV,后面Encryption Engine会使用。

3)LL B收到LL_ENC_REQ PDU之后,会向Host B发送LE Long Term Key Request HCI Event,该Event的格式为:

Event Event code Event Parameters
LE Long Term Key Request 0x3E Subevent_Code
Connection_Handle
Random_Number
Encryption_Diversifier

Subevent_Code为0x05;
Connection_Handle,连接句柄;
Random_Number和Encrypted_Diversifier就是LL_ENC_REQ PDU中的Rand和EDIV,最初是由Host A通过LE Start Encryption命令发送过来的。

4)如果Host B能提供LTK,则通过LE Long Term Key Request Reply HCI命令,将LTK提供给LL B,该命令的格式为:

Command OCF Command parameters Return Parameters
HCI_LE_Long_Term_Key_
Request_Reply
0x001A Connection_Handle
Long_Term_Key
status
Connection_Handle

5)LL B收到LTK之后,会向LL A回应一个LL_ENC_ RSP PDU,该PDU的格式为:

SKDs (8 octets) IVs (4 octets)

SKDs和LL A的SDKm共同组成128bits的SKD;
IVs和LL A的IVm共同组成64bits的IV。

6)LL A收到LL_ENC_ RSP PDU之后,可以向LL B发送LL_START_ENC_REQ PDU,开启Encryption,LL B则回应LL_START_ENC_RSP PDU,这两个PDU均不携带任何的参数。

加密start之后,双方就可以安全的通信了。当然,LE encryption还提供了其它诸如暂停加密(LL_PAUSE_ENC_REQ/LL_PAUSE_ENC_RSP)、重启加密等过程,比较简单,这里就不详细介绍了,具体可参考BLE Spec[2]中的相关描述。

5. 参考文档

[1] 蓝牙协议分析(3)_蓝牙低功耗(BLE)协议栈介绍

[2] Core_v4.2.pdf

[3] 蓝牙协议分析(9)_BLE安全机制之LL Privacy

[4] 蓝牙协议分析(8)_BLE安全机制之白名单

 

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标签: 蓝牙 Bluetooth BLE 安全 Encryption

评论:

zx
2017-05-09 17:18
看spec,我感觉encryption在BLE里是放到了host里,而BR/EDR则是由controller完成
wowo
2017-05-09 19:48
@zx:何以见得呢?你可以把你看到的东西贴出来,讨论讨论。
zx
2017-05-15 15:48
@wowo:sorry,是我看错了,应该是BLE把除了encryption和privacy的一部分放在controller,其它的flow放到了host
wowo
2017-05-15 16:16
@zx:是的。加密的事情,不能交给Host,不然安全性就得不到保证。
ronald
2017-04-17 23:05
看你对蓝牙协议好熟悉,请问怎么熟悉一套协议了,我看蓝牙协议的时候,有点摸不着重点
wowo
2017-04-19 08:58
@ronald:协议这种东西,用的多了自然熟了,如果不怎么用,看着会很枯燥无味的。
brave
2017-04-06 11:54
获益匪浅, 请问什么时候能写下SMP, 配对的过程?
wowo
2017-04-10 09:18
@brave:有时间的话会写写的~~

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