摘要：介紹了ULP藍牙技術(shù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點描述了ULP藍牙的安全機制，詳細分析了其地址生成、認證過程、匹配和密鑰交換等關(guān)鍵技術(shù)。最后比較了ULP藍牙和傳統(tǒng)藍牙在安全方面的不同。
2007年6月，Wibree技術(shù)被納入藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)，并更名為超低功耗藍牙(ULP)[1]。它繼承了傳統(tǒng)藍牙優(yōu)化運用、耗能更少、成本更低的優(yōu)點，適用于小型設(shè)備件簡單的數(shù)據(jù)傳輸。
Wibree作為一項耗電量極低的藍牙技術(shù)成為藍牙規(guī)格的一部分，是一種新的低功率無線技術(shù)，為業(yè)界開拓了新的市場機會及創(chuàng)新空間。由于采用無線方式進行通信，因此，ULP藍牙與傳統(tǒng)藍牙一樣面臨傳輸數(shù)據(jù)被截獲的危險。所以如何保證ULP藍牙運用的安全，是ULP藍牙技術(shù)設(shè)計的一個核心問題。
本文基于Bluetooth SIG的技術(shù)草案[2]，討論了ULP藍牙技術(shù)的安全結(jié)構(gòu)，介紹了ULP藍牙的地址生成及認證、密鑰生成和匹配原理的相關(guān)過程。
1 ULP藍牙的安全構(gòu)架
安全性是ULP藍牙協(xié)議中必不可少的一部分，它提供使用保護和信息保密[3]。如圖1所示，ULP藍牙系統(tǒng)有三個邏輯組成部分：ULP控制器、ULP主機和HCI(主機控制器接口，介于ULP控制器與ULP主機之間，提供通信服務(wù))。ULP控制器由物理層和鏈路層組成；ULP主機中主要是ULP的L2CAP協(xié)議；高層主要是應(yīng)用層協(xié)議，多種剖面在高層中應(yīng)用。而安全模塊位于ULP控制器中的鏈路層和ULP主機的L2CAP協(xié)議中，由主機控制器提供控制和數(shù)據(jù)。
ULP藍牙工作在2.4GHz的ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，其工作的中心頻率為2402+K×2MHz(K=0～39)，即工作頻帶寬度為2MHz～3.5MHz。劃分為40個物理信道，其中包括3個廣播信道和37個數(shù)據(jù)信道。
結(jié)構(gòu)中的鏈路層有兩種工作狀態(tài)：空閑狀態(tài)和連接狀態(tài)，其鏈路層只能工作在一種工作狀態(tài)下。同時，ULP藍牙設(shè)備還有五種工作模式：廣播模式、掃描模式、申請模式、主設(shè)備及從設(shè)備。
ULP L2CAP(Logic Link Control and Adaptation Protocol)處于鏈路控制協(xié)議之上，屬于數(shù)據(jù)鏈路層。L2CAP對上層協(xié)議可以提供面向連接和無連接數(shù)據(jù)服務(wù)。L2CAP允許高層協(xié)議、應(yīng)用發(fā)送和接收最長64KB數(shù)據(jù)包。
鏈路層中的連接加密過程由ULP主機負責(zé)，其中包含一個由鏈路層獨立負責(zé)的加密子進程。加密過程由HCI_Setup_Encryption命令初始化。使用這個命令后，主設(shè)備的ULP主機就表明了鏈路層連接了新的加密模式。只要有這樣一個來自于ULP主機的命令，一個SEC_EMPTY_REQ數(shù)據(jù)包就會在鏈路層的連接上被傳送。
在HCI_Setup_Encryption命令之后， HCI_Command_Completed命令所表示的過程完成之前，不允許有來自于ULP主機的任何數(shù)據(jù)包。
2 ULP藍牙認證及密鑰生成過程
2.1 ULP藍牙地址
ULP藍牙使用兩種類型的地址[4]：設(shè)備地址和存取地址，設(shè)備地址細分為公有和私有設(shè)備地址。每個ULP設(shè)備應(yīng)該分配一個固定48bit的ULP藍牙公共設(shè)備地址，而私有設(shè)備設(shè)置的地址是可選的。ULP設(shè)備只有在證明設(shè)備可靠性后，才顯示其私有地址；每個鏈路層的連接有一個偽隨機32bit的存取地址，由連接中的申請者產(chǎn)生，每個鏈路層連接不同的存取地址。ULP藍牙系統(tǒng)中，只能有一個數(shù)據(jù)包格式能在廣播通道數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)包中同時使用。如圖2所示，每個數(shù)據(jù)包含4個實體：標(biāo)頭、同步字、PDU和CRC。廣播數(shù)據(jù)包中的同步字是固定的，數(shù)據(jù)通道中的數(shù)據(jù)包同步字是鏈路層連接的存取地址。
2.2 廣播工作模式中認證
ULP系統(tǒng)中，每一臺設(shè)備會產(chǎn)生并保持兩個隨機生成的密鑰：鑒權(quán)(identity root)和加密(encryption root)。鑒權(quán)用于連接中生成私有地址和區(qū)分標(biāo)識符密鑰連接中的標(biāo)識符；加密用于確立密鑰標(biāo)識符的安全。在任何加密連接中，廣播創(chuàng)建密鑰作為會話密鑰的基礎(chǔ)。集合密鑰是在某些配對選擇中創(chuàng)建，這些密鑰只是用作保護(未來)廣播中密鑰的傳遞。
加密模式中，通過廣播方式把創(chuàng)建的密鑰分派給需要連接的所有設(shè)備或?qū)嶓w，鑒權(quán)可用來建立私有地址。因為鑒權(quán)每次只支持一個身份，所以許多申請者將獲得同樣的鑒權(quán)。廣播向設(shè)備提供標(biāo)識符的加密(伴隨16bit標(biāo)識符)，在加密模式中該設(shè)備支持連接的設(shè)備。規(guī)范的基本概念有唯一的標(biāo)識符密鑰，被稱為“長期密鑰”(long term key)，這個密鑰分配給每個申請者。此外，加密規(guī)則僅僅是推薦使用并且在廣播之外。長期密鑰是不可見的，原則上能使用任何映射在16bit~128bit之間的密鑰。加密標(biāo)識符密鑰有以下幾種：IRK(Identity Resolving Key)、PIR(Pairing Identity Root)、DHK(Diversifier Hiding Key)、PIRK(Pairing Identity Resolving Key)、PDHK (Pairing Diversifier Hiding Key)。
在廣播模式條件下，廣播設(shè)備產(chǎn)生一個初始隨機向量(IRV)，該向量由10B的新隨機數(shù)組成，也是鏈路層(LL)傳輸給申請者的第一個可能的數(shù)據(jù)包。廣播設(shè)備初始化時，到達連接請求。
連接請求包括SEC字段(表明是否是加密請求)和PI字段(表明申請者連接一個匹配認證)。SEC=1，表示有2B的加密區(qū)分標(biāo)識符(EDIV)和申請者6B的隨機地址。
如圖3所示，在SEC=1的條件下，ULP藍牙廣播模式下的認證步驟如下：
(1)解密區(qū)分標(biāo)識符隱藏密鑰。發(fā)送HCI_Set_key(0x00，DKH)命令到鏈路層，返回HCI_Command_Complete()，并再發(fā)送加密請求命令HCI_encrypt(addmaster)，PAL返回請求完成命令HCI_Command_Complete()。
由EDHK計算DIV：
DIV=EDHK(addmaster[0…15]?茌DIVhidden)
此具體過程是：
由Y=EDHK
(IRA(初始化隨機地址)，
0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00)
DIV= {Y0， Y1} XOR {EDIV0， EDIV1}得出�；蛘咴赑I=1的條件下，即匹配連接中有：
Y=EPDHK
(IRA，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00)
得出DIV={Y0，Y1}XOR{EDIV0， EDIV1}
(2)創(chuàng)建長期密鑰。發(fā)送設(shè)置加密命令到鏈路層HCI_Set_key(0x00，ER)，返回完成命令HCI_Command_Complete()，再發(fā)送請求加密長期密鑰命令HCI_encrypt(DIV)，返回完成創(chuàng)建長期密鑰命令HCI_Command_Complete(LTK)。
按以下公式重新創(chuàng)建長期密鑰LTK：
LTK=EER(DIV/0)
LTK=EER
(DIV，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，
0x00，0x00，0x00，0x00，0x00)
(3) 創(chuàng)建會話密鑰命令。HCI_Set_key(0x00，LTK)，返回完成命令HCI_Command_Complete()，再發(fā)送請求加密長期密鑰命令HCI_Encrypt(addmaster/IRV)，返回完成創(chuàng)建長期密鑰命令HCI_Command_Complete(SK)。
SK=ELTK(addmaster/IRV)
(4) 鏈路層設(shè)置會話密鑰和初始值。初始值為
IV=addmaster/addslave[0…23]
分別發(fā)送命令HCI_Set_key(0x01，SK)和HCI_Set_IV(addr｜addr[0…23])到鏈路層進行設(shè)置，返回完成設(shè)置命令HCI_Command_Complete()。生成會話密鑰SK和IV，并在鏈路層設(shè)置(廣播地址AA={A0，A1，…，A5})。
2.3 申請模式中加密會話設(shè)置
申請者瀏覽廣播，找到相匹配的廣播地址AA={A0，A1，…，A5}，初始使用6 B完全隨機地址(IRA)。
(1)創(chuàng)建隨機地址：發(fā)送HCI_Rand()命令到鏈路層(LL)，返回HCI_Command_Complete(rand)，addmaster=rand[0…47]。
(2)加密區(qū)分標(biāo)識符(diverfier)密鑰。發(fā)送設(shè)置加密命令到鏈路層HCI_Set_key(0x00，DHR)，返回請求完成命令HCI_Command_Complete()，再發(fā)送加密請求命令HCI_Encrypt(addmaster)，返回請求完成命令HCI_Command_Complete()。
DIVhidden=EDHK(addmaster[0…15]?茌DIV)
由DIV計算出EDIV。
由Y=EDHK
(IRA，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00)
得出EDIV={Y0，Y1}XOR{DIV0，DIV1}
或者在PI=1的條件下，即匹配中由
Y=EPDHK
(IRA，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00)
得出EDIV={Y0， Y1}XOR{DIV0， DIV1}
最后申請者請求一個連接。
①如果請求加密連接，則SEC 字段一直等于1；如果在申請者和廣播設(shè)備間，擴展匹配繼續(xù)進行，即PI字段設(shè)置為1。
②2B的加密區(qū)分標(biāo)識符密鑰(EDIV)，6B的申請者隨機地址(IRA)。
③當(dāng)連接已經(jīng)建立時，申請者從廣播中得到一個10B的隨機向量(IRV)作為層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(類型0xFD)，然后從長期密鑰中，申請者創(chuàng)建會話密鑰SK和設(shè)置初始值(IV)。
創(chuàng)建會話密鑰SK：發(fā)送設(shè)置長期密鑰命令HCI_Set_
key(0x00，LTK)到鏈路層，返回完成命令HCI_Command_
Complete()，再發(fā)送加密請求命令HCI_encrypt(addmaster/IRV)，返回完成創(chuàng)建會話密鑰命令HCI_Command_Complete(SK)，SK=ELTK(addmaster/IRV)，IV=addmaster/addslave[0…23]，即可表示為：
SK=ELTK(IRA，IRV)，IV={IRA，A0，A1，A2}。
④SK和IV被分配給鏈路層(LL)作為最后的步驟。LL操作中，申請者將初始化“連接模式變化”。
鏈路層設(shè)置會話密鑰和初始值：分別發(fā)送命令HCI_Set_key(0x01，SK)和HCI_Set_IV(addr｜addr[0…23])到鏈路層設(shè)置，返回完成設(shè)置命令HCI_Command_Complete()。
2.4 密鑰更新
安全連接建立之后，不支持密鑰更新或者重建安全參數(shù)。唯一的例外就是匹配程序，在匹配的第一階段后，匹配程序中的會話加密密鑰和狀態(tài)發(fā)生改變。
3 匹配和密鑰交換
本文的匹配算法有兩個擴展模式，在前n個連接中密鑰改變(如果攻擊者錯過一個更新，安全性提高)。第一個擴展模式尤其適合于移動設(shè)備；第二擴展模式是假定兩個設(shè)備有相同的地址，通過干擾硬件攻擊者，提高密鑰的安全性，該模式適用于家庭等固定環(huán)境。
ULP藍牙的匹配分三個階段進行，其流程如圖4所示。
第一階段，成功匹配功能交換后，開始執(zhí)行第一階段操作。這一階段不受加密保護，連接中直接進入擴展的狀態(tài)(伴隨著PI 字段設(shè)置為連接請求和SEC 字段關(guān)閉)。
第二階段，在加密通道中執(zhí)行匹配，受臨時密鑰或者第一階段的結(jié)果或是早期擴展階段的保護。該階段的匹配可以直接輸入(PI字段設(shè)置為連接請求)，在此保護通道中，下面之一被執(zhí)行：(1)傳送長期密鑰和認證(從未來的廣播到未來的申請者)。(2)傳送擴展(臨時)密鑰和認證(從未來的廣播到未來的申請者)，在擴展模式中，進行有限的密鑰交換。
第三階段，第三階段與匹配無關(guān)，是正常的會話，并且使用了在第二階段同樣的密鑰保護。注：廣泛的與這個密鑰通信可能會導(dǎo)致(取決于匹配機制)攻擊。攻擊長期密鑰可能導(dǎo)致在第二階段中提供的長期密鑰長度少于128bit。第三階段提供方便和實用性的擴展模式，以及可能簡單的設(shè)備。
總體層次規(guī)范定義了第三階段的用處，如果沒有定義任何第三階段的用途，匹配的設(shè)備將終止匹配會話，用長期密鑰建立新會話。
ULP藍牙系統(tǒng)本身提供的安全系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)陌踩匦訹5]。在ULP藍牙用于商業(yè)或軍事等方面時，現(xiàn)有的點對點的密鑰分配和認證機制將無法滿足安全要求，因而采用AES加密算法是必需的。與傳統(tǒng)藍牙相比，ULP藍牙在安全上有以下特點：
(1) 現(xiàn)有的藍牙認證[6]，主要是通過質(zhì)詢—響應(yīng)的方法進行認證。ULP藍牙的認證基本相同，但是在ULP藍牙的認證機制中，通過設(shè)置SEC和PI的值進行不同的認證。安全措施更明確、簡單，易于實現(xiàn)。
(2) 藍牙加密使用E0加密算法[7]，缺點在于若一個偽隨機序列發(fā)生錯誤，便會使整個密文發(fā)生錯誤，致使在解密過程中無法還原回明文。藍牙E0流加密中用到的LFSR易受到相關(guān)攻擊和分割解決攻擊，且用軟件實現(xiàn)效率非常低。
ULP藍牙中使用AES加密模塊。雖然傳輸速度有所降低，但安全性更高。適合小器件設(shè)備，如手表、運動傳感器、醫(yī)療設(shè)備等；傳統(tǒng)藍牙適用于傳輸大量數(shù)據(jù)的設(shè)備。ULP藍牙的加密的位置處于HCI 層，在流量控制和重傳機制下，可以避免多次加密無用的數(shù)據(jù)。針對性更強，對不需要加密的數(shù)據(jù)進行了過濾(如命令分組、事件分組)，所以它的日常連接次數(shù)可達到50次；而傳統(tǒng)藍牙連接次數(shù)在5次以內(nèi)。ULP藍牙加密方案采用低成本的可編程邏輯器件和現(xiàn)成可用的高級加密處理的智力產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的成本。
參考文獻
[1] HEYDONR. ULP藍牙開啟全新無線應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計應(yīng)用，2007(9)：34-35.
[2] B1uetooth special interest group(SIG). Ultra low power bluetooth technology specification[S]. Controller and host volumes，2007.
[3] DU Sui Kang. Document for bluetooth and bluetooth ULP [J]. Seminar Eingebettette drahtlose System，2009，31(1)：211-214.
[4] HAN Hui Hua，YANG Xiao. Application of cryptographic algorithm in bluetooth security mechanism[J]. Journal of Northern Jiaotong，2003，27(2)：24-28.
[5] 金純，許光辰.藍牙技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.
[6] 榮新華，楊壽保.藍牙安全體系結(jié)構(gòu)研究及其在雙向RKE系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].小型計算機系統(tǒng)，2003，24(8)：1451-1454.
[7] 劉漢華，吳銳，全景才.藍牙安全機制[J].電子質(zhì)量，2001(6)：25-28.
