【技术专栏】泰凌微电子经典蓝牙技术安全知识讲解
【技术专栏】泰凌微电子经典蓝牙技术安全知识讲解由于个人生产设备的快速蔓延，使用蓝牙设备的频率和数量也在不断的增长，这对蓝牙通信安全性提出了更高的要求。随着蓝牙官方协议版本的迭代，经典蓝牙信息安全模型也在不段更新和完善。本文主要讲述经典蓝牙技术安全相关内容。
1蓝牙安全模型
目前，蓝牙安全模型主要分为五个安全部分：
认证（Authentication）：建立设备间的信任关系，证明正在通讯的设备是真正的设备而不是其他冒名的设备。
保密性 （Confidentiality）：对传输的数据加密，确保内容不被窃听者获取。
授权（Authorization）：是否允许对端设备通过建立的链接操作本地的数据项。
数据完整性（Integrity）：确认收到的数据就是对端发送的数据。
配对/绑定（Pairing/Bonding）：创建一个或多个共享密钥并存储用于后续连接，以形成可信设备。
2经典蓝牙安全机制
蓝牙核心安全架构随着时间的推移而发展，已经有多种安全机制。
早期BR/EDR使用legacy pairing方式进行配对，该方式基于E21或E22算法进行。E21和E22均基于E1算法。通信加密则利用了MasseyRueppel 算法衍生的e0算法。这种方式局限于无法提供加密消息的完整性。目前，出于加密安全的考虑，使用较多的是Secure Simple Pairing (SSP)，其使用ECDH生成Link Key。且在4.0版本之前使用P-192 Elliptic Curve计算Link Key，设备认证和加密算法与2.0+EDR相同。4.1版本引入Secure connection功能，使用P-256 Elliptic Curve计算Link Key，通过AES-CCM进行加密。
SSP提供了四种关联模型：Numeric Comparison、Passkey Entry、Just Works以及Out of Band (OOB)。
Numeric Comparison：两个蓝牙设备显示6位数字，用户选择“是”或“否”，与使用PIN的区别是显示的数字不作为计算Link Key的条件，因此窃听者也不能用它生成连接或者密钥。
Passkey Entry：一个设备有输入能力另外一个有显示能力使用此模型，和Numeric Comparison一样，传输的6位数字不作为计算Link Key的条件，所以对窃听者也没有作用。
Just Works：没有输入和显示的设备适用此模型，与Numeric Comparison在认证阶段1相同，因为没有显示，不能对比两个设备上的数值就接受了连接，因此不能提供MITM保护。
Out of Band (OOB)：通过有线或者NFC等其他方式进行设备的发现和加密数据的交换。
SSP流程图
SSP生成Link Key流程
总共分为三步：
每个设备各自计算自己的公-私密钥，双方都支持安全连接使用P-256 elliptic curves 否则 P-192 curves。1：每个设备发送public key给对方。这里public key的依赖于椭圆加密算法，每次连接时随机生成。2：执行authentication stage 1。3：第一个设备计算出确认值E1并发送给设备2，设备2对E1 进行验证，验证通过后，设备二计算确认值E2并发给第一个设备。4：如果E2检查通过，那么双方就进行Link Key的计算。
01认证
蓝牙的认证过程使用challenge–response scheme（质询-响应）方式，这个方式通过验证Link Key的方式验证设备。
认证流程有2种：Legacy Authentication和Secure Authentication（双方都支持安全连接使用此流程）
如果认证失败，蓝牙设备会间隔一段时间后重试，间隔时间会成指数级增长，以避免攻击。
02传统身份验证
当使用传统配对或者P-192进行SSP配对时使用此流程。
[*]Step 1：verifier发送128bit的随机数（AU_RAND）质询claimant。
[*]Step 2：claimant使用 “E1 algorithm”，通过输入48bit的mac地址、Link Key、AU_RAND来计算认证响应。Verifier也执行相同的流程。E1输出的高32位用于身份验证。剩余的96位时ACO，用于创建加密密钥。
[*]Step 3：E1输出的高32位，即the Signed Response (SRES)，发送给Verifier。
[*]Step 4：Verifier拿自己的SRES与claimant的SRES进行比较。
[*]Step 5：如果相同则认证成功否则失败。
03安全认证
使用P-256 Elliptic Curve进行SSP执行此流程。
[*]Step 1：Master发送128bit的随机数RAND_M给Slave
[*]Step 2：Slave 发送RAND_S给Master
[*]Step 3：Master和Slave都利用“h4 and h5 algorithms”计算认证响应。以Master的MAC地址，Slave的mac地址、RAND_S、RAND_M、Link Key作为输入。h5输出的高32位用于验证，其余96位作为Authenticated Ciphering Offset (ACO) 用于创建密钥。
[*]Step 4：Slave把SRES_slave 传给master
[*]Step 5：Master吧SRES_master传给Slave
[*]Step 6：Master和Slave拿自己的SRES与对方的进行比较
[*]Step 7：相同则认证成功，否则失败。
3经典蓝牙的保密性
处理配对和认证之外蓝牙还有单独的保密服务，防止数据包被监听。
[*]Encryption Mode 1 — 没有任何保加密
[*]Encryption Mode 2—Individually addressed traffic is encrypted using encryption keys based on individual link keys; broadcast traffic is not encrypted.
[*]Encryption Mode 3—All traffic is encrypted using an encryption key based on the master link key.
模式2和3使用E0或者AES_CCM加密机制。
AES_CCM是一种对称密钥加密算法，用于保护通信中传输的数据的机密性和完整性。它广泛应用于无线通信协议如蓝牙（Bluetooth）和Wi-Fi等中，为4.0版本之后新加入的加密机制。
AES_CCM是基于AES算法（Advanced Encryption Standard）和CCM模式（Counter with CBC-MAC mode）的组合设计。AES算法是一种分组密码算法，通过多轮置换和混淆的方式进行加密和解密。CCM模式则是一种加密模式，它使用计数器和CBC-MAC模式对数据进行加密和验证，同时提供了认证和传输机密性保护功能。
下图为蓝牙packet中AES_CCM与E0的加密范围和流程：
需要注意的是，AES_CCM算法仅提供对数据的机密性和完整性保护，而无法提供绝对的安全性。如同时使用质询机制等其他安全措施可以增强安全性。
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