【经验】解密低功耗蓝牙安全性之开发平台例程

2019-09-03 Silicon Labs
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这篇文章将会介绍在Simplicity Studio C SDK下,如何使用低功耗蓝牙BLE)的相关特性,配对、绑定、加密和授权。


首先,我们给出一些关于BLE安全性的一些基础信息,并突出介绍附件的例程里的重要的代码片段。示例程序实现了一个加密传输功能,其特征值只能在配对和绑定完成才能被读出。


BLE安全性特征

最常见的无线通讯的威胁如下:

1)被动监听(Passive eavesdropping)

2)主动监听(Active eavesdropping = Man-in-the-Middle (MITM))

3)隐私(Tracking)


BLE定义了5种安全特性来对抗上述威胁:

1)配对(Pairing):设备间建立可信的连接(密钥(Key)的产生、交换,以及ID信息的交换)

2)绑定(Bonding):保存配对阶段所产生的Key

3)设备身份认证(Device authentication):验证两个设备具有相同的Keys(防护MITM)

4)加密(Encryption):数据加密(FIPS、NIST、AES128-CCM)

5)数据签名(Data signing,信息一致性):防止数据被修改


上述特征实现在BLE协议栈的不同层,参下图:


 

配对&绑定

配对:

• 配对是一个建立可信连接的过程

• 用于产生和交换密钥(Security Keys)

• 用于交换ID信息


BLE使用Secure Simple Pairing(SSP)配对模型:

• Just works:针对于没有交互界面的设备,无需用户操作,其无法提供MITM防护

• Pass key entry:用户需输入另一设备的显示屏所显示的pass key,其提供MITM防护

• Numeric comparison:用户需要确认双方显示屏所显示的pass keys。其提供MITM防护。注意:此方法在Blue Gecko的协议栈下还尚未支持

• Out-of-band:用其他技术交换keys,比如NFC


绑定:

• 保存keys以备之后使用

用于鉴别连接、验证设备ID等


隐私

• BLE提供隐私保护

• 设备可以使用公共地址或者私有(随机)地址

• 对于一个设备,其公共地址是固定且唯一的

• 随机地址可以随时间改变而改变,其可以对不想建立连接的设备隐藏其公共地址

• 绑定设备可以通过key来解析设备的公共地址

注意:随机地址尚未在Blue Gecko的协议中实现。


加密

• 加密过程用于保证数据的完整性和一致性

• 已配对或绑定的设备可以加密/解密连接中的数据

• BLE使用AES-128作为加密算法

注意:广播数据不支持加密


蓝牙4.2安全特性

• LE Secure connections:将Key的交换机制升级至更安全的配对流程-ECDH

• LE privacy 1.2:ID信息解析由HOST层转移到Controller层,这样提升了速度并减小了功耗

注意:蓝牙4.2的安全特性尚未在Blue Gecko的协议中实现。


示例程序

此应用程序是基于Simplicity Studio Bluetooth Smart C SDK 1.0.4版本,此应用程序是基于Blue Gecko SoC Starter Kit(SLWSTK6020A),同时只需要做很少的改动,它便可以用于BGM111BGM113


示例程序实现了一个特征值,其被另外设备读的前提是双方配对并绑定,以下是完成这一任务的具体步骤:

1)在GATT文件中,建立此属性的权限

例程包含一个叫my_secret的特征值。因为authenticated_read属性被设为“true”,所以其只有在加密连接中才能被读出。


 

2)使能配对和绑定

绑定可以通过Simplicity Studio的GUI使能,设个设定会在系统启动完成后调用函数gecko_cmd_sm_set_bondable_mode(1)。

 


3)建立安全管理

使用函数gecko_cmd_sm_configure(flags,io_capabilities)来完成安全相关配置。


flag参数的bit0:

• 允许不带MITM保护的绑定

• 绑定需带有MITM保护


flag参数的bit1:

• 允许不绑定直接加密数据

• 加密数据必须先绑定


flag的2-7位保留,应设为0。


capabilities参数指示设备支持的输入输出类型,不同的capabilities参数会导致不同的配对方法。


系统启动后,调用函数gecko_cmd_sm_configure; 



当使用sm_io_capability_displayonly或sm_io_capability_displayyesno作为io capabilities时,PIN码会显示在UART控制台,你需要在手机或平板端输入这个PIN码。


当使用sm_io_capability_keyboardonly或sm_io_capability_keyboarddisplay作为io capabilities时,PIN码会显示在手机或平板端,你需要在设备的UART控制台输入这个PIN码。


不要使用sm_io_capability_noinputnooutput,因为MITM保护不能在此模式下工作,配对和绑定将会失败。


4)在连接建立时,提升安全等级

在连接建立时间处理处,我们需要加入gecko_cmd_sm_increase_security函数。这将会触发配对流程。对于某些iOS版本的设备,这一步需要被跳过,因为iOS设备会主动发起配对请求。


如果pairing属性在GUI里被使能,gecko_cmd_sm_increase_security函数会自动被调用。


5)为gecko_evt_sm_passkey_display_id事件建立回调函数

gecko_evt_sm_passkey_display_id事件指示需要件pass key显示出来,在此例程中,此事件触发My Service_Passkey Display Cbk回调,并将pass key在UART控制台显示。



6)为gecko_evt_sm_passkey_request_id事件建立回调函数

此事件指示需要用户输入远端设备显示屏所显示的pass key。在此例程中,此事件触发回调函数My Service_Passkey Display Cbk。这个回调函数会读出UART控制台输入的passkey,实际读此输入的函数为MyService_Passkey Read函数。当pass key被读出后,调用sm_enter_pass key函数将此pass key送给协议栈。

 


如果pass key有效且绑定完成后,协议栈会产生一个gecko_msg_sm_bonded_evt_t事件。如果pass key无效或者由于某种原因绑定不成功,协议栈会产生一个gecko_evt_sm_bonding_failed_id事件。


测试此例程

下载Blue Gecko app,完成如下步骤:

1)将此例程烧录至WSTK。

2)删除手机或平板端关于此设备的绑定信息。

3)打开串口中断,COM口选择 J-LINK CDC UART.

4)打开Blue Gecko app并选择BLE&Stack&Profile test

5)连接设备至手机或平板。

6)按照串口终端和手机/平板的指示进行试验。



7)如果一切正常,你可以通过APP读取GATT的特征值,并在串口终端得到Bonding completed信息。


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