关于BLE 4.2的安全性分析

对于任何一个无线设备，无论是健康监测器还是付款系统，保护用户的隐私信息都是非常重要的。隐私机制可防止设备受到不可信的设备追踪。安全的通信保证了数据安全，防止未经授权的设备侵入数据导致触发系统意外操作。BLE 4.2的新功能加强了隐私和安全，解决了早期BLE的缺陷并且提高了能效。

隐私  

为了保护BLE设备的隐私，受信任的BLE设备使用共享的身份解析密钥（IRK，Identity Resolving Key）生成和解析随机的可解析私有地址（RPA，Resolvable Private Address）。只有一台设备拥有另一台广播设备的IRK时，才能跟踪该广播设备的活动。

蓝牙设备在配对期间共享IRK，并将其存储在设备内置存储器中的解析列表中。因此，早前绑定的设备依然可以解析对方设备的私有地址。

蓝牙4.1中，该解析列表保存于主机并且由主机完成地址解析，也就是说每次收到RPA的广告包时，都需要主机进行干预。在蓝牙4.2中，该解析列表保存在控制器中，由控制器解析私有地址。如果设备主机使用单独的CPU，则主机不需要被唤醒即可进行蓝牙配对，从而降低了整体功耗。即使设备使用相同的CPU执行控制器和主机，因为地址不需要通过不同的协议层，减少了解析地址所需的CPU循环次数，也可降低功耗。

RPA会时刻变化，因此第三方更难以跟踪私有设备。在Privacy 1.1（蓝牙4.1）中，建议的RPA超时时间为15分钟。然而，由于Privacy1.1对连接和功耗有一定影响，因此它的使用非常有限。此外，由于Privacy 1.1不支持地址在链路层解析，因此在使用RPA时不能实现设备过滤和定向连接广播（DCA）之类的功能。

蓝牙4.2中Privacy 1.2允许的RPA超时时间可以为1秒到11.5小时。因为BLE 4.2支持在链路层解析地址，故可使用DCA加速设备之间的连接并降低功耗。

被动窃听  

为了防止未经授权访问通信，无线系统必须防止被动窃听和中间人（MITM）攻击。被动窃听是指第三台设备偷偷地窃听两个设备（见图2）之间的私有通信。对于支付解决方案这样的信息保密性（比如密码）极其重要的应用来说，防止被动窃听是非常重要的。

图1：在被动窃听攻击中，第三台设备偷偷窃听两个设备之间的通信。

通过使用密钥对数据进行加密，系统可以防止被动窃听。蓝牙低功耗4.2引入LE安全连接，采用符合联邦信息处理标准（FIPS）的DCTH （Elliptic Curve Diffie-Hellman）算法生成密钥。该密钥用于生成其它密钥，如长期密钥和DH密钥，但其本身从不通过无线电共享。由于DH密钥从不通过无线电交换，因此第三方设备很难猜出加密密钥。在蓝牙低功耗早期版本（蓝牙4.1或更老版本）中，设备采用的是非常容易猜测到的临时密钥（TK）对连接进行首次加密，此后的长期密钥和其他密钥都会在这个不太安全的连接上进行。

中间人  

MITM是指当两个设备尝试彼此通信时，第三设备插入到两者之间并伪装成对方设备（参见图1）。通过认证可以确保系统所通信的设备是其实际预期的设备，而不是伪装的非授权设备。

图2：在中间人攻击中，第三台设备插入两台设备的连接之中，并且使通讯的两端认为他们是在与对方直接对话。

在蓝牙通信中，两台设备使用关联模型实现相互验证，然后安全地交换数据。蓝牙配对是一个密钥交换的过程；但是，交换密钥之前，这两个设备必须共享包括认证要求在内的配对参数。而为了实现认证，两台设备必须使用某种关联模型进行相互验证。模型的选择基于三个参数：

a.是否需要MITM防护

b.该设备是否可以从用户接收数据（例如按钮或键盘输入）或是否可以向用户输出数据（例如LCD显示6位十进制数）。将用户纳入到配对处理是数据安全传输的一个重要因素

c.该设备是否能够进行频带外（OOB）通信。例如，如果部分安全密钥可以在两个设备之间通过近场通讯（NFC）沟通，那么窃听者就无法理解最终的数据意义。

BLE 4.2有四个关联模型可供选择：
数值比较-两台待匹配设备均显示六位数字，如果两个数字相同，那么用户在设备上选择“是”即可通过验证。蓝牙4.2 低功耗安全连接引入了这种关联模型。在传统配对（蓝牙低功耗4.1或更老的版本）中，这些IO功能实现的是“即刻运行”关联模型（无验证）。

密钥输入-用户在两台设备中输入相同的密钥，或其中一台设备显示密钥，用户在另一台设备输入相同的密钥。在传统密钥输入（蓝牙4.1或更老的版本）中，整个密钥以简单的单次确认即可进入交换；而蓝牙4.2中，一次交换一位密钥，安全性有了很大提高。这种逐位公布保证了在协议的配对程序失败之前，未猜测到的密钥泄露不超过2位。

非蓝牙传输（OOB）-OOB关联模型适用于双方设备中至少有一个具有OOB能力、能够加密信息进行频带外交换的情况。此时，MITM防护取决于用于共享信息的OOB协议对MITM的抵抗力。在传统配对（BLE 4.1或更老的版本）中，两个设备都需要具有OOB能力才能使用OOB关联模型。

即刻运行-在不需要MITM保护或者设备具有表1中提到的IO能力的时候，采用这种关联模型。

表1显示了不同IO情况下在LE安全连接配对时能够使用的关联模型。但是，如果不需要MITM保护或其中某台BLE设备具有OOB功能时， 可以忽略IO。

表1：关联模型的选择取决于设备的I/O支持如何。

蓝牙低功耗4.2提供三个支持MITM防护的关联模型以及一个针对无需MITM防护应用的模型。4.1以及更老的BLE版本不支持数值关联模型；如果OOB数据也不可用，则只能使用密钥输入关联模型进行验证配对。而密钥关联模型需要键盘实现密钥输入，这一点在许多系统中无法实现，限制了MITM防护的应用。但是，只要显示能够实现是/否选项时，可以使用数值比较模型，为更多的应用提供MITM保护。

配对  

配对是密钥交换和认证的过程。根据不同的蓝牙低功耗版本，有两种取决于的配对类型：LE安全连接（蓝牙4.2新增）和LE传统配对（蓝牙4.0以后的版本支持）。与之前的版本相比，LE安全连接提供了显著的改善。

蓝牙低功耗的配对分为三个阶段。在第一阶段，设备交换其配对参数，其是能够确定合适关联模型的能力和安全要求。配对参数包括各种字段，如图3。

图3：BLE 4.2配对第一阶段交换的配对参数

LE安全连接采用符合联邦信息处理标准（FIPS）的ECDH算法，能够在没有防护的信道中建立安全的共享密钥。使用ECDH形式是P-256，这意味着设备生成的私有密钥长度为256位（或32字节）。

执行ECDH算法之前，两个设备必须确定一组特定的域参数。在LE安全连接中，因为两台待连接设备都FIP的SP-256 ECDH机制，因此都知道一个默认的参数。随后，两台设备各生成一对密钥，一个称为私有密钥，该设备不会通过无线电进行共享或发送；另一个称为公共密钥，由设备密钥和一个发生器函数（域参数的一部分）产生。

随后，两台设备都将自己的公共密钥发送给对方设备。使用这个接收到的公共密钥、自己的公共密钥以及自己的私有密钥，两台设备都能够生成一个共享密钥。注意，被动窃听者只能获取设备之间交换的公共密钥，但没有双方的私有密钥，因此不能产生用于进一步加密的共享密钥。通过这种方式，ECDH能够在不安全的通道上生成共享密钥并对连接进行加密。

图4显示了在有第三设备窃听的情况下，两台设备是如何建立共享密钥的。

图4：当有第三设备窃听时，两台设备正在建立共享密钥

在第2阶段中，ECDH密钥生成后将公共密钥分享给可信的设备并建立加密连接。为确保与设备进行通信的设备是预期的设备，需要使用关联模型进行认证。该设备根据ECDH算法的共享密钥生成一个长期密钥（LTK）并继续进行第二阶段的认证检查，包括检查DH密钥。

在第3阶段，使用长期密钥来对连接进行加密。一旦连接被加密，密钥就可以通过配对参数中的启动器密钥分配/应答器密钥分配标志进行共享（例如，如果采用RPA，则需要IRK）。

数据签名  

数据签名是另一个能够帮助增加安全级别的BLE功能。在没有使用加密时，BLE可以使用连接签名解析密钥（CSRK，Connection Signature Resolving Key）对数据进行认证。签名是由签名算法和计数器产生的。计数器随各数据PDU递增，以避免任何重放攻击。请注意，数据签名并非用来防护被动窃听，而是为接收设备验证数据源的真实性。

蓝牙低功耗4.2提供了强大的安全机制以确保安全的无线连接系统。尽管BLE 4.1和4.2都提供了MITM防护功能，但只有蓝牙4.2能够实现真正安全的BLE系统。当使用蓝牙4.1 的LE传统配对时，只有OOB关联模型提供了被动窃听的防护；而蓝牙4.2还提供数值比较关联模型和ECDH算法以确保隐私和数据安全。

有关蓝牙4.2隐私和安全功能的详细信息，请参考应用指南AN99209，有关蓝牙4.2功能的详细信息，请参考蓝牙核心规格。