在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，如何確保BLE連接的安全

安全性是設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用時面臨的最大挑戰(zhàn)之一。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過無線方式進行通話，因此一切控制和狀態(tài)信息以及私人用戶數(shù)據(jù)都可能會暴露于風(fēng)險之中。不安全的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能會使人員生命和財產(chǎn)面臨風(fēng)險，而不是帶來更便捷的生活。試想一下，有人可以攻擊家庭照明控制系統(tǒng)，跟蹤到用戶何時在家，然后闖入家中?；蛘哂腥丝梢酝ㄟ^偽造您的身份，然后開啟您的智能鎖。

為保障物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性，需要進行以下三項部署：

對未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備隱藏設(shè)備身份的機制 - 身份保護對于保護用戶免受破壞者跟蹤其物理位置至關(guān)重要。如果沒有足夠的保護，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會使用戶面臨隱私泄露以及潛在的生命或財產(chǎn)威脅。這一情況類似于有人根據(jù)您的汽車注冊編號對你進行跟蹤。

防止被動竊聽- 被動竊聽是指收聽兩臺設(shè)備之間私人通信的過程。被動竊聽者靜靜地聽取通信，但不會更改數(shù)據(jù)。

防范中間人攻擊 - 中間人(MITM)攻擊是所有安全威脅中最為嚴(yán)重的一種情況。在這種情況下，稱為MITM攻擊者的第三臺設(shè)備不僅可以監(jiān)聽兩臺設(shè)備之間的私密通信，還可以模仿其中任意一臺設(shè)備并更改數(shù)據(jù)。

對未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備隱藏設(shè)備身份

BLE設(shè)備使用48位地址，如果該地址可被另一臺設(shè)備解碼，則后者可對前者實時跟蹤。BLE使不可信設(shè)備難以通過頻繁更改地址來實施跟蹤。以上是通過使用僅可信設(shè)備可用的身份解析密鑰(IRK)實現(xiàn)的。對鏈路進行加密后，可信設(shè)備之間可在配對過程中共享IRK。然后將其作為綁定過程的一部分存儲在內(nèi)部。這一類型的地址稱為可解析私有地址(RPA)。

可解析私有地址包含兩個組件 - 24位hash和24位prand。hash是IRK函數(shù)，prand則由22位隨機數(shù)和兩個固定的MSB(最高有效位)組成。

隨機產(chǎn)生的22位prand不能所有位都為'1'或'0'。之后，使用IRK和prand作為加密函數(shù)'e'的輸入變量計算hash。

Hash = e(IRK，prand)，截斷為24位

設(shè)備IRK是一組128位數(shù)字。通過104位填充連接，其中填充位設(shè)置為‘0’，使得prand的大小與IRK一致。原始prand的LSB(最低有效位)在填充后依然是prand的LSB。生成后的hash將與prand連接從而生成RPA。

為解析RPA，需要使用在廣告包中接收的prand和在配對過程中接收的IRK生成本地hash。然后將這一本地hash與地址中的hash進行比較。如果匹配，則可解析地址。由于一臺設(shè)備可存儲來自多臺設(shè)備的IRK，因此可使用存儲的每一個IRK逐個計算本地hash值，直至匹配為止。

BLE 4.2及更高版本允許該地址最快可每秒更改一次，最長更改間隔為11.5小時，這稱為RPA超時。RPA更改的頻次越高，對設(shè)備實施跟蹤就越困難。

防止被動竊聽

假設(shè)在一次會議中，交談中有兩個人突然切換到與會的其他人難以聽懂的他們的母語，那么，將會發(fā)生什么情況?事實上通過這一方式，他們讓這一部分對話免受被動竊聽。類似地，BLE設(shè)備使用共享密鑰對鏈路進行加密。因此，沒有秘鑰的設(shè)備將無法理解鏈路加密之后設(shè)備之間的對話。保護強度取決于鑰匙強度–即獲取或猜測鑰匙的難易程度。

BLE(4.2或更高版本)使用符合美國聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)(FIPS)的Elliptic Curve Diffie-Hellman(ECDH)算法來生成和交換密鑰。之后，這些密鑰用于生成其他密鑰，也稱為DHKey共享密鑰。再之后，可通過DHKey共享密鑰對鏈路進行加密或生成另一組密鑰對鏈路進行加密。

在BLE設(shè)備中，這一安全通信的基礎(chǔ)是在配對過程中建立的。配對過程分為三個階段：

在第1階段，配對過程中涉及的兩臺設(shè)備發(fā)送配對請求和響應(yīng)以及配對參數(shù)，其中包括設(shè)備的性能和安全要求。在此之后，兩臺設(shè)備將根據(jù)交換參數(shù)的值選擇配對方式。

第2階段涉及設(shè)備身份驗證和鏈路加密。該階段建立的安全性環(huán)境可確保設(shè)備不受被動竊聽和MITM攻擊。

如前所述，為防止被動竊聽，BLE使用符合FIPS標(biāo)準(zhǔn)的ECDH算法，使設(shè)備能夠在不安全的信道上建立共享密鑰，然后使用該秘鑰或其衍生秘鑰對鏈路進行加密。

為便于理解ECDH算法的工作原理，我們給出了非常經(jīng)典的Alice和Bob示例(參見圖5)。Alice和Bob希望建立一個安全的通信鏈路，然而他們正在通信的信道正在被第三方Eve竊聽。

1.Alice和Bob生成了他們自己的私鑰和公鑰，其中私鑰d是從[1到n-1]的隨機數(shù)，并通過將d乘以G, dG獲得公鑰Q。

假設(shè)Alice的私鑰和公鑰是dA和Q_A = d_AG，Bob的私鑰和公鑰分別是dB和Q_B = d_BG。

2.Alice和Bob在不安全的頻道上互相分享他們的公鑰Q_A和Q_B，而該信道正在被Eva竊聽。Eve可以攔截Q_A和Q_B，但她無法確定私鑰。

3.Alice使用自己的私鑰Q_Bd_A計算共享密鑰，Bob則使用Q_Ad_B計算共享密鑰。請注意，共享密鑰是相同的。

S = Q_Bd_A = (d_BG)d_A = (d_AQ)d_B = Q_Ad_B

4.現(xiàn)在，Alice和Bob可使用該共享密鑰保護其通信，或使用該共享密鑰生成另一個密鑰。而Eve則無法計算該密鑰，因為她僅僅知道Q_A和Q_B。

以上示例假設(shè)Alice和Bob都使用相同的域參數(shù)。在LE Secure(低功耗安全)連接的情況下，兩臺設(shè)備默認(rèn)遵循FIPS標(biāo)準(zhǔn)的P-256 ECDH機制。

一旦兩臺BLE設(shè)備成功生成共享密鑰，它們就會生成長期密鑰(LTK)和MAC(介質(zhì)訪問控制)密鑰。MAC密鑰用于確認(rèn)生成的密鑰是否正確。成功確認(rèn)后，兩臺設(shè)備都將使用LTK對鏈路進行加密。請注意，該LTK永遠不會通過無線共享，因此被動竊聽者將無法計算LTK，竊聽者也將無法攔截兩臺設(shè)備之間交換的信息。

雖然ECDH提供的安全性保護可防止被動竊聽，但卻并不能阻止設(shè)備免受MITM攻擊。為防止MITM攻擊，基于設(shè)備的I / O功能，BLE使用身份驗證作為配對過程第2階段的一部分。

關(guān)于作者：

Pushek Madaan現(xiàn)任職于賽普拉斯半導(dǎo)體印度公司，擔(dān)任高級應(yīng)用工程師。他主要使用C語言和匯編語言設(shè)計用于模擬和數(shù)字電路的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，同時使用C#開發(fā)GUI(圖形用戶界面)。

Sachin Gupta現(xiàn)任職于賽普拉斯半導(dǎo)體公司物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)部，擔(dān)任資深產(chǎn)品營銷工程師。他擁有德里洲際大學(xué)(Guru Gobind Singh Indraprastha University)電子與通信學(xué)士學(xué)位。Sachin在SoC應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)品營銷方面擁有9年的經(jīng)驗。