BLE安全机制从入门到放弃

网上介绍BLE安全机制的文章大多只关注业务概念，如：配对加密是什么，绑定过程是什么；而忽略了其中涉及到的信息安全知识，如：使用了加密和认证有什么用，不用又会怎么样。让新人读了有种云里雾里，知其然而不知其所以然的感觉。这里结合涉及到的信息安全知识，换一个角度来认识BLE安全机制。

前言

标题中的“放弃”有点调侃的意思，是指读者在读完之后，可以不依赖别人，靠自己读蓝牙核心规范加深认识，这样收获也会更多，也是这篇博文的目标。

为了易于理解，会对蓝牙核心规范的算法进行裁剪，但是原理是不变的，标准算法应参考蓝牙核心规范。

最后，这是博主的一得之见，欢迎各位指正。

目录

• 密码技术初探
  • 对称密码
  • diffie-hellman密钥交换算法
  • 椭圆曲线diffie-hellman密钥交换算法
  • 消息认证码
  • 认证加密CCM
  • 信息安全小结
• ble安全机制初探
  • ble40安全机制
  • ble42安全机制
• 总结
• 参考资料

密码技术初探

在介绍密码技术之前，我们先给参与信息交互的对象赋予名称，方便举例和记忆。

重要角色一览表

Alice和Bob分别是两家银行，Bob银行通过网络向Alice银行发送了一条500元的汇款请求：从账户B-6789向账户A-1234汇款500元。

当然，会有人在网络中尝试攻击银行间通信，妄想用非法手段牟利，其中就有这样一个分工明确的组织，由以下成员组成：

• Eve
  • 窃听不同银行之间的消息，从中获取重要信息，如获知“从账户B-6789向账户A-1234汇款500元”。
• Mallory：
  • 篡改不同银行之间的消息，如修改汇款请求为“从账户B-6789向账户A-1234汇款5000000元”。
  • 伪装成Bob银行，以Bob银行名义发送一条新的汇款请求给Alice银行。

从上述例子可知消息面临的威胁有：窃听、篡改和伪装，对应的安全特性为：机密性、一致性、是否已认证。

“威胁”和“安全特性”的关系可以这样描述：

• 如果消息没有加密，消息则不具有机密性，无法防止他人窃听；
• 如果发送者发送的消息和接收者的消息是不同的，说明消息被篡改过，不具有一致性；
• 如果没有对消息进行认证，无法保证消息来自正确发送者而不是伪装者。

存在威胁，就会有对应的解决方法，下面会针对每个威胁介绍对应的密码技术。

对称密码

算法一般指复杂步骤，加密算法指的是用明文生成密文的步骤，解密的步骤称为解密算法，两者统称为密码算法，密码算法需要用到密钥。

所谓对称密码（symmetric cryptography）技术，即加密和解密时用的是同一个密钥，加密和解密的算法一般是公开的，如AES128。

对称密码应用图

对称密码解决的问题

如上图所示

1. Bob创建一条汇款请求消息；
2. 用密钥key对它加密；
3. 将加密后的消息发给Alice；
4. Alice收到密文；
5. Eve窃听到了加密后的消息，由于没有密钥key，无法解读内容；
6. Alice用密钥key对消息解密；
7. Alice获得一条汇款请求消息。

对称密码技术可以解决窃听的威胁。

对称密码无法解决的问题

对称密码技术可以解决窃听的威胁，但是有一个前提，就是在这之前发送者和接收者要有相同的密钥key，所以一定要先给接收者配送密钥，有以下几种方式：

1. Bob通过网络先将key发送给Alice，但容易被Eve截取到；
2. Bob乘坐交通工具将密钥key亲手交给Alice，或者其他网络以外的方式配送密钥，这种方式成本高维护麻烦，称为带外（Out-Of-Band）配送；
3. 用diffie-hellman密钥交换算法解决；
4. 用椭圆曲线diffie-hellman密钥交换算法解决。

diffie-hellman密钥交换算法

先不管DH密钥交换算法是什么，我们现在关注问题是：在Eve窃听网络的情况下，如何解决Bob配送key给Alice的问题？

密码界的前辈们从数学角度上找到了答案：利用这个数学难题，Bob和Alice可以在Eve窃听的情况下，协商出一个密钥，而Eve不知道密钥是什么。

最好解决配送问题的办法就是不配送，通过协商获得相同的密钥，是不是很神奇，话不多说，我们看看是怎么实现的。

离散对数问题

背景知识：mod符号表达的意思是求余数，如表达式5 mod 7的计算思路为：5除以7等于0，余数为5，所以5 mod 7 = 5。

现有离散对数问题如下，请问满足公式的x是多少：

为了求x，我们可以运用上面提到的背景知识来做计算，像下面这样依次尝试一遍，就可以得到x = 9。

例子的数字较小，所以很快就找到答案了，当数字很大时，计算x就会变得非常耗时，快速求出离散对数的算法到现在还没被发现，所以可以得到这样的一个简单结论：

对于上图公式，已知G、p、Y的时候，很难求出x。

接下来我们看看如何具体利用这个数学问题来协商出密钥的。

diffie-hellman密钥交换算法应用

在DH中，我们将Y称为公钥（public key），将x称为私钥（private key），则有以下结论：已知G、p、公钥的时候，很难求出私钥。

DH应用图

如上图所示

1. Bob和Alice选择一个公开的G和p，Eve当然也知道这个公开的G和p；
2. Bob和Alice分别随机生成各自的私钥sb和sa；
3. Bob和Alice根据G、p以及各自的私钥，生成公钥pb和pa；
4. Bob和Alice互发公钥pb和pa，Eve窃听到了pb和pa；
5. Bob和Alice计算出共享密钥DHkey。

Eve能计算出DHkey吗？

对比三个角色最后的“已知信息”可知，只要Eve知道任一私钥（sb或sa），它就能容易算出DHkey，而这时候问题就变成了：Eve在已知G、p、公钥情况下，是否能求出私钥，这也就是我们上面提到的离散对数问题，这是很难做到的。

diffie-hellman密钥交换算法解决的问题

因为DH密钥交换算法利用了“离散对数问题”的复杂度，所以就算Eve一直窃听，Bob和Alice也能协商出一个共享密钥，而Eve却因为复杂的数学问题而没办法算出共享密钥，也就解决了对称密码中的配送问题。

椭圆曲线diffie-hellman密钥交换算法

DH是利用了“离散对数问题”的复杂度来实现密钥的安全交换的，如果将“离散对数问题”改为“椭圆曲线上的离散对数问题”，这样的算法就叫椭圆曲线diffie-hellman密钥交换（ECDH）。

两者密钥交换总体流程相同，只是利用的数学问题不同而已，ECDH能够用较短的密钥长度实现较高的安全性。

椭圆曲线diffie-hellman密钥交换算法应用

ECDH中的数学问题可以这样简单定义：

已知椭圆曲线上的点Y、基点G的时候，很难求出x。其中算术符号*表示的不是普通的乘法，而是一种在椭圆曲线上的特殊算法。

在ECDH中，我们称Y为公钥（public key），x为私钥（private key）。

ECDH应用图

如上图所示

1. Bob和Alice选择一条密码学家推荐的椭圆曲线，选择曲线上的一个基点G；
2. Bob和Alice分别随机生成各自的私钥sb和sa；
3. Bob和Alice根据G以及各自的私钥，生成公钥pb和pa；
4. Bob和Alice互发公钥pb和pa，Eve窃听到了pb和pa；
5. Bob和Alice计算出共享密钥DHkey。

椭圆曲线diffie-hellman密钥交换算法无法解决的问题

DH和ECDH都能解决密钥配送问题，结合对称密码技术，就能保证消息的机密性，防止被窃听了，但是对于篡改和伪装的攻击，却无能为力。为了解决剩下这两个威胁，就要靠其他技术手段了。

篡改示意图

如上图所示，Mallory不需要知道密文是什么意思，但是他可以修改密文，导致Alice解密出预期以外的内容。

伪装示意图

如上图所示，Mallory夹在Bob和Alice之间并伪装他们。对于Mallory来说，DHkey是赤裸裸的，所以Bob和Alice互发的消息是没有机密性的，这种攻击也称为中间人攻击（MITM）。

消息认证码

消息认证码（MAC）技术是检查信息一致性并进行认证的技术，发送者通过MAC算法可以输出一个MIC值，接收者通过校验MIC值不仅可以判断消息一致性，还能判断消息是否来自正确的发送者。

MAC技术有以下几种重要性质：

• 正向快速：给定明文、MAC算法和密钥key，在有限时间和有限资源内能计算出MIC。
• 逆向困难：给定MIC、MAC算法和明文，在有限时间内很难（基本不可能）逆推出密钥。
• 输入敏感：原始输入信息修改一点信息，产生的MIC看起来应该都有很大不同。
• 冲突避免：很难找到两段内容不同的明文，使得它们的MIC一致（发生冲突）。即对于任意两个不同的数据块，其MIC相同的可能性极小；对于一个给定的数据块，找到和它MIC相同的数据块极为困难。

MAC技术与对称加密技术有一个显著差异：加密解密是双向的，可以互相推导，而认证只能单向；加密是为了解密，MAC设计是无法解。

消息认证码解决的问题

消息经过CMAC算法之后，为何Mallory无法篡改消息和伪装呢？

消息一致性检查和认证示意图

• Mallory如果想篡改明文，那就同时也要篡改MIC，否则无法通过Alice的校验，但是应该将MIC改成多少呢？因为Malloyr没有共享密钥，所以他也不知道MIC应该是什么。如果想篡改MIC，那就同时也要篡改明文才能通过Alice的校验，由于MAC算法的逆向困难性质，Mallory不知道明文应该是什么。

• Bob用CMAC算法认证一条消息并发给Alice，并要求Alice也用CMAC算法认证并返回一条消息给Bob。若Mallory伪装成Alice，由于没有认证密钥，无法返回通过Bob校验的消息。

消息认证码无法解决的问题

没错，要使用MAC技术，首先要有相同的认证密钥，又回到了之前的密钥配送问题，具体这里采用哪种方式解决配送密钥问题，视实际情况而定。

消息认证码攻击方式

对于MAC算法来说，应保证不能根据MIC和明文推测出通信双方所使用的密钥。但实际上用穷举法是可以推测出来的，如果使用密码学安全的、高强度的伪随机数生成器生成密钥，就会使得破解时间需要很长以至在现实中几乎不可能破解。而如果密钥是人为选定的，就会大大增加被推测出来的风险。

认证加密CCM

其实上文一直在有意无意的强调一个事情，那就是加密和认证是独立的两个概念。加密能防止窃听，认证能防止篡改和伪装。前辈们用一种密码技术将两者融合起来——CCM（Counter with CBC-MAC）。

通过查阅资料，以我的战五渣水平只能理解到这一程度：

• 发送方先对明文使用MAC技术，然后对称加密成密文；
• 接收方先用对称加密技术解密密文，然后用MAC技术校验明文；
• 发送方和接收方需要至少一个共享随机数和一个共享密钥，随机数可以公开，密钥不可以公开。

个人猜测CCM应用示意图

上图只是个人猜测的示意图，有可能是不对的，因为不是术业专攻方向，没有深入研究，秉着求真精神，觉得应该提醒大家，避免误导。

放上图的目的是：加密和认证可以做在一个算法中，而且BLE就是这么用的。

信息安全小结

威胁、安全特性、密码技术关系图

总结：

• 为了解决窃听问题，采用对称密码技术；
• 为了解决对称密码技术的加密密钥配送问题，采用配送密钥技术；
• 为了解决篡改问题，采用消息认证码技术；
• 为了解决伪装问题，采用消息认证码技术；
• 为了解决消息认证码技术的认证密钥配送问题，采用配送密钥技术。

Tips：无论消息认证码技术还是对称密码技术，都需要用到配送密钥技术，而不同的配送密钥技术本身，也会涉及到认证强度的问题。比如希望用ECDH来解决消息认证码的认证密钥配送问题，但是ECDH本身认证强度为零，所以它也需要消息认证码技术来证明ECDH过程中没有出现篡改或者伪装攻击，即又要使用消息认证码技术，导致进入了死循环。所以需要选择合适的密钥配送技术，常见的有：邮箱验证码、手机短信验证码、NFC、目测法等。

ble安全机制初探

在介绍ble安全机制之前，我们先给参与信息交互的对象赋予名称，方便举例和记忆。

ble重要角色一览表

背景知识：简单来说ble设备可分为两种角色，一种是主机角色（master），另一种是从机角色（slave），有以下几种差异：

1. 建立连接前

   • 主机能进入扫描状态、发起连接状态，不能进入广播状态；
   • 从机能进入广播状态，不能进入扫描状态和发起连接状态；
   • 一定是由主机发起连接，从机只能被连接。

2. 建立连接后

   • 一定是由主机发起配对，但是从机能够请求主机发起配对；

ble各个状态示意图

• 广播状态：设备正在往空中发送广播包，谁都可以收得到；
• 扫描状态：设备正在接收空中的广播包，看看谁在发，发什么；
• 发起连接状态：设备指定与另外一个设备发起连接；
• 明文数传阶段：两个已连接设备之间，用明文传送数据包；
• 配对阶段：两个已连接设备之间，运用密码技术生成各种安全强度的密钥；
• 加密过程：两个已连接设备之间，使用配对阶段输出的密钥，或者绑定阶段提供的密钥，衍生出最终用于加密底层数据包的密钥；
• 密文数传阶段：两个已连接设备之间，用密文传送数据包；
• 绑定阶段：用“绑定”这个词特定描述配对阶段中的第三阶段，该阶段交换绑定信息，有了绑定信息下次需要密文数传可以跳过配对阶段。

除了展示两种角色的异同，我觉得有必要通过上图澄清几个概念，加深大家的理解：

1. 复杂密码技术是运用在已连接之后的配对阶段，所以不存在配对失败，导致ble无法正常建立连接，至多是配对失败，导致连接断开。
2. 连接后，不一定要启动配对，如果明文数传已经满足应用要求，就没必要启动配对了。

ble40安全机制

从用户角度提出问题：我现在对密码技术有初步了解了，也知道ble安全机制的一些背景知识，评估下来连接之后的明文数传风险太大，我要用到密文数传，ble提供什么样的解决方案呢？

ble4.0安全机制简单示意图

上图是ble4.0安全机制简单示意图，是上一节“建立连接后”的细节展开，观察方式从上到下为角色的时间轴，从左到右分别是不同的角色，空白地方的文本为传递的数据，虚线为可选项，双斜杠为不展开讨论的内容。

对于密文数传，ble提供解决方案分四种情况：

1. 首次连接无绑定

   • 首次连接，配对输出临时密钥（STK），加密过程用STK衍生出会话密钥（sessionKey）和随机数（IV）用于CCM认证加密，后面都是密文数传。

2. 首次连接有绑定

   • 首次连接，配对输出临时密钥（STK），加密过程用STK衍生出会话密钥（sessionKey）和随机数（IV）用于CCM认证加密，后面都是密文数传，进入绑定阶段，从机将长期密钥（LTK）发送给主机保存。

3. 第二次连接且首次连接无绑定

   • 第二次连接，配对输出临时密钥（STK），加密过程用STK衍生出会话密钥（sessionKey）和随机数（IV）用于CCM认证加密，后面都是密文数传。

4. 第二次连接且首次连接有绑定

   • 第二次连接，跳过配对阶段，加密过程使用之前绑定的LTK衍生出会话密钥（sessionKey）和随机数（IV）用于CCM认证加密，后面都是密文数传。

由下往上读图，回答用户提出的问题：

ble4.0选择CCM给明文数据认证加密，想要使用CCM，就需要一个密钥和一个随机数用于CCM认证加密，所以ble有一个“加密过程”负责输出一个密钥（sessionKey）和一个随机数（IV），而加密过程又需要一个密钥来产生sessionKey，所以ble有一个“配对阶段”来输出一个临时密钥（STK）给加密过程，或者在绑定阶段输出一个长期密钥（LTK）给加密过程下一次连接时候使用。

TK配对码的生成和配送

ble4.0的TK配对码生成和配送方式有多种，常用的两种TK配对码的生成和配送方式是：JustWorks和Passkey，他们有以下差异：

1. JustWorks模式时，生成的TK是000000，因为这是公开的，没有配送的意义，配送目的是为了防止通信双方以外的第三方获得密钥，由于现在认证码是公开的，就没配送的意义了，而且由于认证码泄露，这种模式不能提供篡改和伪装保护。

2. Passkey模式时，TK的生成方式和配送方式如下：通信其中一方如Alice随机生成TK为142536，通过显示屏/短信/NFC等蓝牙以外的输出数据的方式，将配对码告知给Bob’s User，Bob’s User通过键盘往Bob设备输入142536，使得Bob和Alice拥有一个共享认证密钥，而针对蓝牙基带攻击的第三方Mallory不知道，从而提供篡改和伪装保护。

下面来看一下图，Passkey模式是怎么做到认证保护的。

认证保护示意图

通过正常认证过程，可以发现Bob和Alice只在空中交互了两次，所以Mallory的攻击时机有两个，第一个是Bob和Alice交换MIC的时刻，另一个是在Bob和Alice交换明文的时刻。

分两种攻击行为

1. 篡改MIC或者明文其中一项，属于篡改攻击。

   • 如果篡改MIC，那就是在未知明文和TK的情况下，凭空捏造一个EMIC，而且这个EMIC还要能够通过后续校验，这个几乎不可能。MIC是果，明文和TK是因，因果倒置不可能吧。
   • 如果篡改明文，那就是给定MIC，基于MAC算法且未知认证密钥TK的情况下，推导出另一份明文，根据MAC算法性质，这个是很难做到的。

2. 同时篡改MIC和明文，属于伪装攻击，也叫MITM攻击。

   • 因为伪造认证码EMIC和伪造明文Erand是Mallory提供的，计算过程可能是EMIC = MAC(EK, Erand)，而真实配对码TK和伪造配对码EKEY只有百万分之一的几率是相同的，所以看作是不相同的，也即EK != TK，根据MAC的输入敏感性质，EMIC != MAC(TK, Erand)，最终认证失败。

ble4.0真的足够安全吗？

我们先列出ble4.0安全机制各个密钥的安全依赖关系：

CCM -> sessionKey -> STK(LTK) -> TK

可以看到，最终的源头是TK认证码，只有保证TK足够安全，密文才能保证安全，也就是说不能让非法分子获得TK，否则他们就能够将密文解密了。

一般我们依靠MAC算法本身的性质，可以保证认证密钥不被推算出来，但是但是这些性质的前提是：认证密钥是使用密码学安全的、高强度的伪随机数生成器生成的，而且这些密钥位数很多，以至于无法穷举。

而实际TK的取值是000000~999999，最多只有100万种可能性，先抓取配对阶段（phase2.2）中用到的明文、MIC，再通过穷举的方式，就可以推算出TK了。

我们分析一下，如果在整个安全机制过程中，一直存在窃听者Eve，那么我们会面临什么威胁。

Tips：在这里也顺带分析静态配对码和动态配对码的区别，静态配对码是指每次输入都是固定的TK值，动态配对码是指每次输入都是动态产生的TK值，其实核心规范里面没有提过静态配对码，但是很多人会希望有如下功能：在一个设备预设一个配对码为123456，然后配对阶段时另一个设备输入配对码123456则通过认证，否则不通过，其实对于ble来说，由于TK可以被破解，所以静态配对码没有起到安全保护作用。

• 如果是静态配对码，Eve推算出首次连接TK，从而推算出STK，从而推算出sessionKey，从而破解CCM，从而窃取绑定过程中的LTK。

  1. Bob和Alice首次连接，因TK和STK被破解，所有阶段被破解，可任意窃听和篡改；
  2. Bob和Alice第二次连接，因LTK被窃取，所有阶段被破解，可任意窃听和篡改；
  3. 伪装Bob或者Alice与对方首次连接，因为TK是静态配对码，通过认证，伪装成功。

• 如果是动态配对码，Eve推算出首次连接TK，从而推算出STK，从而推算出sessionKey，从而破解CCM，从而窃取绑定过程中的LTK。

  1. Bob和Alice首次连接，因TK和STK被破解，所有阶段被破解，可任意窃听和篡改；
  2. Bob和Alice第二次连接，因LTK被窃取，所有阶段被破解，可任意窃听和篡改；
  3. 伪装Bob或者Alice与对方首次连接，因为TK是动态配对码，之前破解的TK用不上，无法通过认证，伪装失败。

总结出几个观点：

1. 因为“加密”都依赖于认证码TK，而TK容易被穷举破解，加密则形同虚设。

2. 上面描述的威胁，首先是窃听成功，才能篡改成功，问题是出在了窃听上。正常情况下对于密文的处理，CCM需要先解密，后认证。如果Eve没有窃听成功，乱篡改Bob发出的CCM认证加密过的密文，那么Alice解密出来的数据几乎不可能通过后续认证的。正是因为Eve窃听成功，知道篡改哪部分内容，所以才会造成威胁。解决窃听问题，就能同时解决篡改问题了。

3. TK是不安全的，以至于如果使用静态配对码而不是动态配对码，就无法解决伪装问题，如果认证码不像TK那样范围窄，静态配对码技术本身也没什么问题，但是最好还是定期更新。

上面总结的也是ble4.2安全机制里面做的一部分改善，比如增加破解TK的难度，引入ECDH解决窃听问题。

ble42安全机制

上一节，我们分析了ble4.0的安全“漏洞”， 接下来简单说一下ble4.2作出的应对措施。

• 无法改变的前提：

  1. 配对码是6个字节。

• 可能的攻击方式：

  1. Eve窃听整个过程，从而破解TK，下一次可以伪装Bob和Alice主动发起连接认证。
  2. Eve窃听整个过程，从而破解TK，从而得到STK，然后窃取LTK。
  3. Mallory发起MITM攻击，即使攻击失败，包含整个TK信息的MAC和MIC会被Mallory获得。（虽然我不知道有什么用）

• 提出对应解决的方案：

  1. 动态认证码；
  2. ECDH保证机密性；
  3. 将TK拆成20bit，每次认证一个bit，攻击失败只会暴露1个bit，不会暴露整个TK。

BLE4.2与BLE4.0的安全机制区别主要体现在“配对阶段”的phase2，在这个阶段引入了ECDH，下面展开passkey模式的phase2（包括phase2.1~2.3）。

BLE4.2 phase2示意图

在“Authentication Stage1”过程，可以发现Bob和Alice只在空中交互了三次，所以Mallory的攻击时机有三个：

1. 交换公钥的时刻
2. 交换MIC的时刻
3. 交换明文的时刻。

后两个攻击方式，在BLE4.0已经分析过了，至于第一个攻击时机，因为公钥是也是MAC算法里面的一个参数，所以它也不能被随意篡改，如果改了后面的Ea和Eb校验就不通过了，即给ECDH也提供了MITM保护。

Tips：这里之所以可以提供MITM保护的实质是人的参与，通过观察的方法获得配对码，绕开了蓝牙空中传输来获得配对码，从而不会受到第三者攻击。

对比BLE4.2和BLE4.0的主要区别：

• BLE4.2没有STK，在配对过程直接生成LTK，因为LTK在配对阶段就已经强制生成了，加密过程直接使用LTK，BLE4.2的绑定阶段(phase3)不会发送LTK。

• LTK是DHkey衍生出来的，DHkey是第三方无法窃听也无法破解出来的，所以可以保证后面用CCM加密后数据的机密性。

BLE4.2完美解决了BLE4.0的安全漏洞。

总结

文章提到的只是BLE常见的一些概念，其他如：签名（Signed）、授权（Authorization）之类都没有提及，有兴趣的读者可以去核心规范探索一番。

参考资料里面有许多优秀的书籍和文章，比如密码技术相关知识我是从《图解密码技术》获知的，关于具体的实战抓包分析，吹爆“BLE配对过程详解”这篇文章。

最后最后，感谢您阅读到最后，这是对我最大的鼓励，也希望这篇博文能让您有一点点的收获。

后记

一开始是想将MESH加进来的，但是考虑到还没上过正式的项目去体验过，怕写出来理解的不够透彻，所以还是算了，以后有机会再单独开一篇吧，但是有兴趣的朋友可以私底下一起交流。

参考资料

• 《图解密码技术》
• BLE配对过程详解
• BLE核心规范
• Hash算法总结
• 穷举法破解BLE的TK值