蓝牙mesh的“启动配置(provisioning)”的安全流程资料下载

蓝牙mesh网络好比是一个VIP俱乐部。如果您是这个俱乐部的会员，就可以随意进入，享受与会员类别相对应的设施和服务。如果您不是会员，便无论如何也过不了门卫这一关。 蓝牙mesh设备有可能是某一特定蓝牙mesh网络的成员，也有可能不是。如果它是成员，则有权与同为该网络成员的其他设备进行通信（至少以一种基本的方式）。如果它不是成员，那么该设备传输的所有内容都将被网络中的其他设备忽略。 其实可以理解为蓝牙mesh设备也拥有不同的会员类型，例如可以使用某些特定的俱乐部服务设施（如健身房、高尔夫球场等），但不是全部。它只能与网络中的某些设备进行充分的交互。而对其进行管理的就是“应用”（application）这一概念。例如，蓝牙mesh照明开关可以在网络中打开或关闭蓝牙mesh照明灯，因为所有这些设备都是照明应用的一部分。而由于供暖系统并非照明应用的一部分，因此照明开关就无法打开供暖系统。 蓝牙mesh网络 设备要想成为蓝牙mesh网络的成员，则必须经过一个称为“启动配置(provisioning)”的安全流程，将设备添加到网络中。 安全性 安全性是蓝牙mesh网络的核心，我们将在本系列的后续文章中详细介绍这一主题。将设备添加到蓝牙mesh网络、或从中移除设备的过程都将严格遵循安全性要求。 蓝牙mesh网络使用一套包含各类安全密钥的系统，从整体上保护网络，同时保护网络内的各个应用并将其彼此分离。拥有正确的安全密钥，设备才能成为网络成员并有权参与特定应用。网络中的所有节点（node）都拥有一个名为“网络密钥”或“NetKey”的密钥。只有设备拥有了这个密钥，才能成为该网络的成员，即成为其中的节点之一。 命名法 在解密蓝牙mesh系列之前的文章中（第一篇、第二篇、第三篇、第四篇、第五篇），我们介绍了“设备”（Device）和“节点”（Node）这两个正式的技术术语： 作为mesh网络成员的设备称为“节点”，而不构成节点的设备就称为“设备”。本文将用英文首字母大写“D”的“设备（Device）”一词来代指非mesh网络成员的设备，用全部字母小写的“设备（device）”来代指一般的日常电子设备。 启动配置设备（Provisioner） 启动配置的流程会将普通的“设备（Device）”变身为“节点（Node）”，使其正式成为蓝牙mesh网络的成员。这一流程通常需要通过一个应用程序来实现，该程序一般由产品制造商所提供，可在智能手机或平板电脑上使用，但也可以采用其他形式，例如桌面或Web应用程序。 运行启动配置应用程序的设备称为“启动配置设备（Provisioner）”，由于它的作用至关重要，因此在物理上必须要保证它的安全性。 启动配置协议(Provisioning Protocol) 在启动配置期间，启动配置设备会采用称为“启动配置协议”的蓝牙mesh协议，与将要被启动配置的设备进行通信。启动配置设备可通过PB-ADV或PB-GATT承载层[i]两者中的任何一个使用启动配置协议，确保在较早版本的智能手机上亦可实施启动配置设备的应用程序，只要它们支持低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)和GATT。 向网络中添加新设备 将设备添加至网络的过程中，最重要的一点是要为其提供网络所有其他节点拥有的网络密钥。当然，这一过程本身必须是安全的，这样恶意设备才无法窃取添加新设备时进行的通信，也无法窃取NetKey。 当购买了新的设备（Device）并需要将其添加至当前蓝牙mesh网络时，用户将使用启动配置设备（ Provisioner），同时参考这一新设备制造商的说明，将其添加至蓝牙mesh网络。这样，新设备（Device）就变身为节点（Node），成为蓝牙mesh网络的成员。 该流程涉及几个步骤，见下方流程图： 启动配置流程 1、Beacon广播 蓝牙mesh网络规格中介绍了新的GAP广播类型，包括 > 广播类型[ii]。 设备（ Device）可采用> 广播类型来发出广播，声明自己是未经启动配置的设备，可被启动配置。用户可能需要根据制造商的说明，按照一定的流程，例如键入一组按钮，或将某一按钮长按一段时间等，以此方式启动新设备的广播。 用户还需要在启动配置设备中启动“添加设备到网络”的流程，以便从Beacon设备（Device）接收广播数据包。需要记住的一点是，启动配置设备可能是智能手机或平板电脑应用，因此在实际操作中会涉及到智能手机解锁、应用程序启动、也许还需要登录应用程序（为了进一步确保安全性），并通过其用户界面启动Beacon设备（Devices）搜寻。这样，启动配置设备就会意识到新设备（Device）的存在和准备就绪状态，可进入后续的启动配置流程。 2、邀请 接下来，启动配置设备将以启动配置邀请PDU（Provisioning Invite PDU）的形式向要进行启动配置设备发送邀请，这是启动配置协议的一部分。Beacon设备会在启动配置功能PDU中回应有关自身的信息。 启动配置功能PDU可提供一系列信息，例如其所拥有的元素数量、所支持的启动配置相关算法等。它还能指示设备（Device）拥有的输入输出功能类型，这些信息将用于认证（Authentication）步骤。 3、交换公共密钥(Public Key) 包括启动配置设备在内的所有蓝牙mesh设备都支持FIPS P-256椭圆曲线算法，因此必须拥有公共密钥。可通过基于该算法的非对称加密来创建安全通道，以完成剩余的启动配置流程。为此，启动配置设备会与将被启动配置的设备（Device）交换公共密钥。需注意的是，将被启动配置的设备（Device）可以通过带外方式(Out of Band)，例如QR码，来提供公共密钥。本系列的后续文章将重点讨论mesh安全性，包括启动配置的安全性。 4、认证（Authentication） 启动配置设备基于对新设备（Device）功能的了解，向其发送消息，指示其输出单一或多位数值，对其所支持的多种用户操作（例如按下按钮）作出响应。值的形式会因设备差异而有所不同。一台设备可能会在LED面板上显示一个三位的数值，另一台设备则可能是红色LED灯闪烁几次，闪烁的次数就是输出的验证值。启动配置设备的用户将观察到设备（Device）输出的值，并将值输入启动配置设备的用户界面。 然后，设备（Device）和启动配置设备交换密码散列，这些数据来源包括设备（Device）输出的随机值，允许它们完成对彼此的验证。 5、启动配置数据的分配 认证成功完成之后，会通过两台设备的私有密钥（Private Key）和交换的对等公共密钥生成会话密钥（Session Key）。随后，会话密钥即可用于保护完成启动配置流程所需数据的后续分发，包括网络密钥（NetKey）和设备的唯一地址，即单播地址（Unicast Address）。 启动配置完成后，启动配置设备就会拥有网络的NetKey，这是一个称为“IV索引（IV Index）”的蓝牙mesh安全性参数，且拥有一个由启动配置设备分配的单播地址[iii]。至此，新设备就正式成为了节点，即成为蓝牙mesh网络中的一员。 从网络中移除节点 有时会需要从蓝牙mesh网络中移除节点。设备可能已经损坏并需要更换，或者可能需要将它移到另一蓝牙mesh网络，如公司位于其他城市的另一个办公室。同样，设备可能已经被出售，新的设备所有者可能会采用上述启动配置流程，将设备添加至自己的蓝牙mesh网络。 设备有时会破损