藍牙安全歷史：兩種安全模式 配對的三個階段

藍牙安全的歷史

在解釋如今的藍牙安全問題之前，我們應該回顧一下藍牙安全的歷史。藍牙是1989年發(fā)明的，但是真正開始廣泛使用要等到2000年以后。一開始，藍牙是沒有安全協(xié)議的，只是把不同的協(xié)議簡單地拼湊在一起而已，且管理也僅由一個藍牙愛好小組即由藍牙特別興趣小組（Bluetooth Special Interest Group，BSIG）管理。藍牙特別興趣小組(BSIG)是一個監(jiān)管藍牙標準和藍牙技術(shù)和商標的團體，BSIG是一個非盈利、非現(xiàn)成公司成立于1998年9月。

目前，藍牙的最新協(xié)議是藍牙5（切記沒有5.0，只有5），是BSIG于2016年6月16日發(fā)布的新一代藍牙標準。雖然藍牙5比原來擁有更快的傳輸速度，更遠的傳輸距離。但目前大多數(shù)設(shè)備使用的仍是4.0-4.2的協(xié)議。在后面我還會說到，更過分的是，目前很多物聯(lián)網(wǎng)供應商都試圖支持藍牙2.0以前的傳統(tǒng)認證協(xié)議，這些協(xié)議大大的放大了物聯(lián)網(wǎng)的安全。

藍牙的智能應用

從藍牙4.0以來，BSIG就為藍牙的安全模型架構(gòu)了一個新的框架，低功耗藍牙（BLE）就是從藍牙4.0開始的。在很多人的印象中，開藍牙都會比較費電，而且距離有限，并不穩(wěn)定，其實這是因為我們對于藍牙的認知還停留在2.0乃至以前。

目前絕大部分的智能手機都已經(jīng)支持藍牙4.0技術(shù)，它具有更低的功耗，更遠、更穩(wěn)定的傳輸。

隨著近年來手機、平板電腦、個人電腦、電視，甚至機頂盒以及游戲機的使用量爆發(fā)式增長，SIG在Bluetooth 4.0 版本規(guī)定了Bluetooth Smart及Bluetooth Smart Ready。

Bluetooth Smart Ready 設(shè)備是連接用戶正在使用的數(shù)以十億計藍牙設(shè)備—手機、平板電腦、個人電腦、電視，甚至機頂盒以及游戲機最有效的方式。這些設(shè)備可有效地接收傳統(tǒng)藍牙設(shè)備和藍牙智能設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)并傳送至應用程序，從而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的信息。這些設(shè)備都是藍牙系統(tǒng)的中樞設(shè)備。

Bluetooth Smart設(shè)備主要用于收集特定類型的信息，家中的所有窗戶都關(guān)好了嗎？我的血糖是多少，我今天的體重是多少？然后將這些信息發(fā)送至藍牙智能就緒設(shè)備。這類設(shè)備具有無限的發(fā)展?jié)摿?，包括心率監(jiān)測儀、血糖儀、智能手表、門窗安全感應器、汽車遙控鑰匙和血壓護腕等。

Bluetooth Smart是2010年推出的一項創(chuàng)新技術(shù)，為制造商、開發(fā)人員和消費者帶來了許多新的好處。Bluetooth Smart是藍牙低耗能特征的品牌名稱，這個特征以藍牙核心規(guī)格4.0版首次推出。

Bluetooth Smart不僅具備低耗能的特點，它還適合應用創(chuàng)建。這項技術(shù)能耗較低，是因為它的能耗遠遠少于其它無線技術(shù)。在應用創(chuàng)建時，適合于藍牙智能傳感器的應用成本較低，并可靈活選擇開發(fā)結(jié)構(gòu)。這使得開發(fā)人員能夠?qū)⑿穆时O(jiān)測儀、牙刷和鞋子等日常物品連入互聯(lián)世界，使這些物品與藍牙智能兼容智能手機、平板電腦或消費者已擁有的類似設(shè)備中安裝的應用進行通信。

如果你有舊的藍牙2.0或3.0設(shè)備，Bluetooth Smart Ready仍然可以與之進行通信。雖然 “Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”的應用場景很多，也非常好用。但其中的安全問題不知有沒有人想過。例如，如何在計算機和健身追蹤器之間以安全的方式保持配對，定期上傳數(shù)據(jù)？當設(shè)備大部分時間處于睡眠模式時，如何保護設(shè)備或確保設(shè)備所有者的隱私？

藍牙安全模式

目前藍牙有兩種安全模式：LE安全模式1和LE安全模式2。除此之外，還有四個編號為1到4的安全級別，其中4是最安全的級別。所以，在設(shè)置藍牙安全模式時，你可以將這兩大種安全模式混合著使用。

先來看看編號為1到4的安全級別：

1.安全級別1支持沒有安全性的通信，并適用于任何藍牙通信；

2.在設(shè)備未配對的通信過程中，安全級別2支持AES-CMAC加密（又名AES-128，通過RFC 4493，符合FIPS）；

3.安全級別3支持加密并需要設(shè)備配對；

4.安全級別4支持所有的加密方式。

再來看看兩種安全模式：

安全模式1適用于沒有數(shù)據(jù)簽名的那些安全級別；

安全模式2與數(shù)據(jù)簽名類似，支持配對和不配對的通信。

將兩種安全模式混合是指設(shè)備需要同時支持安全模式1和2，即需要支持已簽名和未簽名的數(shù)據(jù)。

僅安全連接模式是具有安全級別4的安全模式1，這意味著藍牙設(shè)備中的所有傳入和傳出流量都只涉及經(jīng)過身份驗證的連接和加密。如果你覺得復雜，那你也可以使用安全模式2而不是1來運行安全連接模式，以確保所有數(shù)據(jù)都已簽名，但由于數(shù)據(jù)是加密的，且加密的計算需要更強的計算能力這也意味著更快的電池消耗，BSIG明顯感覺到?jīng)]有簽名的加密對于這種特定的模式來說已經(jīng)足夠了。

配對（Pairing）

配對對于藍牙BR/EDR是強制性的，而對于Bluetooth Smart則是選擇性的。比較簡單的Bluetooth Smart應用就有可能不需要配對。

在大家了解了安全模式和級別是什么后，我就可以開始回答一些關(guān)于在睡眠模式下維持配對的問題，或者在不一定總是彼此通信的設(shè)備之間的藍牙連接上強制保密。但是我們需要討論它們是如何實施的，這就得從配對開始。

配對過程幾乎涉及所有的安全環(huán)節(jié)，需要事先決定。它的目的是確定兩臺設(shè)備的每一端的功能是否準備好配對，然后再決定是否可以互相通信。配對過程分三個階段進行：

第一階段

在第一階段，這兩個裝置讓對方知道它們有能力做什么。它們首先閱讀的值是“歸因協(xié)議”（ATT）值，位于L2CAP第4層，通常不會被加密。這樣，在第二階段它們將決定使用哪種配對方法，以及設(shè)備可以做什么。例如，Bluetooth Smart Ready就與Bluetooth Smart 設(shè)備的ATT值不同。

第二階段

在第二階段，目的是生成一個短期密鑰（STK）。這是通過臨時密鑰（TK）與一些隨機數(shù)混合在一起的設(shè)備來完成的，這些隨機數(shù)給了他們STK。 STK本身不會在設(shè)備之間傳輸。通過STK，這通常被稱為LE傳統(tǒng)配對。但是，如果僅使用安全連接模式，則會在此階段（而不是STK）生成長期密鑰（LTK），這稱為LE安全連接。

第三階段

在第三階段，第二階段的密鑰被用來分配通信所需的其它密鑰。如果在第二階段沒有生成LTK，則在第三階段就要生成一個。數(shù)據(jù)簽名的連接簽名解析密鑰（CSRK）和專用MAC地址生成和查找的身份解析密鑰（IRK）等數(shù)據(jù)在此階段生成。

此時就會有四種不同的配對方法：

1. Numeric Comparison（數(shù)值比較），數(shù)值比較僅適用于低功耗安全連接，而不適用于傳統(tǒng)配對。因此這是一個較新的關(guān)聯(lián)模型。由于兩個設(shè)備會在其各自的屏幕或LCD顯示屏上顯示相同的六位數(shù)值，并確保它們匹配并點擊或單擊每個設(shè)備上的相應按鈕。這不是為了防止中間人（MITM）攻擊，而是為了識別對方的設(shè)備。

2. Just Works (不鑒權(quán)，直接使用)，顯然，并非所有設(shè)備都有顯示器，如耳機或揚聲器。因此，Just Works方法可能是最流行的方法。從技術(shù)上講，它與數(shù)值比較相同，但六位數(shù)值設(shè)置為全零。如果你正在執(zhí)行MITM攻擊，則“數(shù)值比較”需要一些即時數(shù)學運算，但Just Works不提供MITM保護。

3. Passkey Entry（密碼輸入）。使用密鑰輸入，會在一個設(shè)備上顯示一個六位數(shù)的值，并將其輸入到另一個設(shè)備中。 如果發(fā)起設(shè)備和響應設(shè)備都滿足一定的IO功能，它們就可以選擇低功耗傳統(tǒng)配對（Legacy Pairing）的Passkey Entry方法。如果發(fā)起設(shè)備和響應設(shè)備的IO功能都不具備顯示功能，但都是“僅有鍵盤（Keyboard Only）”，那么用戶就需要確保發(fā)起設(shè)備和響應設(shè)備之間的臨時密鑰是相同的，這是Passkey Entry進入的一個特例。

4. Out Of Band (OOB)，即非藍牙的傳輸方式，如NFC。Apple Watch是這個配對方法的一個很好的示范。另一個例子是在具有NFC功能的耳機和配對電話之間使用NFC。

確定安全模式和級別

你可以采取幾個步驟來確定藍牙設(shè)備的安全模式和級別：

1. 發(fā)起者或接收者，確定設(shè)備是發(fā)起者還是接收者。這個方法會被歸入Bluetooth Smart 或Bluetooth Smart Ready。你可以這樣想，在初始配對期間，啟動藍牙連接的設(shè)備將成為Bluetooth Smart Ready設(shè)備，而被配對的設(shè)備將成為Bluetooth Smart 設(shè)備。然后你必須區(qū)分它們是Bluetooth Smart Ready還是Bluetooth Smart，因為這將有助于確定哪些數(shù)據(jù)包需要在藍牙協(xié)議監(jiān)控分析儀上查看BLE數(shù)據(jù)。

如果你正在探索的設(shè)備是Bluetooth Smart接收器，則可以從Bluetooth Smart Ready筆記本電腦啟動配對，并使用筆記本電腦的藍牙接口作為Wireshark（一個網(wǎng)絡封包分析軟件）中的分析源。

2. 配對說明（Instructions for pairing）。當你獲得新的支持藍牙設(shè)備時，通常會包含配對說明。顯然，如果設(shè)備的屏幕可以顯示值，你可以觀察到使用的Numeric Comparison或Passkey Entry。如果使用OOB，可能會更好，因為這是最安全的配對方法。如果你看到配對說明中包含“如果要求輸入密碼，請使用xxxx”（其中xxxx是四位數(shù)值），那么你就知道支持藍牙2.0傳統(tǒng)身份驗證。

但是，大多數(shù)配對都涉及Just Works，這是因為Bluetooth Smart類別中的許多設(shè)備上沒有屏幕。如果不支持藍牙2.0傳統(tǒng)認證，那并不意味著實現(xiàn)了額外的安全元素。

3. 掃描和探測，使用藍牙掃描儀掃描設(shè)備可以幫助確定安全級別。你可以從掃描中獲得任何信息，包括所涉及的芯片組信息。如果你可以確定正在使用的芯片組，則可以查看芯片組的功能，例如“它最多可以處理八個連接，并且支持板載AES-128”。

注意MAC地址，如果地址是公共地址，并且OUI（ 組織唯一標識符）在數(shù)據(jù)庫中，則它們它們始終使用一個常量作為MAC地址。

如果你可以連接到設(shè)備進行探測，但是任何操作似乎都會讓你立即退出，此時，很可能只有安全連接模式已經(jīng)就位。

4.嗅探配對，通過藍牙嗅探器來檢測安全元素的實現(xiàn)可能看起來非常困難，但是一旦你了解了不同的安全模式以及如何使用這些安全模式，就可以輕松確定已經(jīng)實現(xiàn)的內(nèi)容，但前提是你進行了分析跟蹤。

理想情況下，你最希望捕獲配對過程的分析痕跡。如果你正在檢查啟動程序或Bluetooth Smart Ready設(shè)備，則需要“配對請求”數(shù)據(jù)包。相反，如果你正在檢查接收器或藍牙智能設(shè)備，則需要“配對應答”數(shù)據(jù)包。

配對請求的操作碼將是0x01，配對回應的操作碼將是0x02。 I/O容量（I/O capacity）將是下列之一：

0x00——僅顯示；

0x01——顯示是/否（顯示和指定是或否的方式）；

0x02——僅限鍵盤；

0x03——無輸入或無輸出（例如耳機）；

0x04——鍵盤顯示（鍵盤和顯示屏）；

0x05-0xFF——保留。

capacity指定了可以存儲在緩沖區(qū)中的最大數(shù)據(jù)容量,實際上,它指定了底層數(shù)組的大小,或者至少是指定了準許我們使用的底層數(shù)組的容量。

OOB數(shù)據(jù)標記將是0x00，對于OOB數(shù)據(jù)來說，沒有OOB數(shù)據(jù)或0x01。最大加密密鑰大小以octets（八進制數(shù)）的形式告訴加密密鑰的大小，并且啟動器和響應者密鑰分配字節(jié)都用標記表示將分發(fā)的密鑰。

身份驗證請求字節(jié)由五個字段組成，并使用各個位作為標志。從最低有效位到最高有效位，以下就是這些字段：

1.綁定標志，兩位，最低位為0或1，另一位保留。因此，0代表沒有結(jié)合，1代表結(jié)合。如果使用綁定，LTK將被交換，這意味著兩個設(shè)備可以配對，而重新啟動或休眠模式不會取消配對設(shè)備。如果要支持加密，則在配對之后進行。

2.MITM標志，一位，0表示不要求MITM保護，1表示請求了MITM保護。

3.安全連接，一位。如果設(shè)置為1，則設(shè)備正在請求進行安全連接模式，否則設(shè)置為0。

4.按鍵標志，一位。如果設(shè)置為1，則表示需要使用密碼輸入，否則將忽略。

5.最后三位保留。

請注意，要時刻檢查你的工具，以確保你準確地嗅探數(shù)據(jù)，不要指望每個制造商都遵守協(xié)議規(guī)則。

LE PRIVACY

每當藍牙設(shè)備需要傳輸時，它就會進入廣播模式，讓其它設(shè)備發(fā)現(xiàn)它。根據(jù)設(shè)備的性質(zhì)，它會在廣播過程中使用MAC地址，以便其他設(shè)備可以與之通信。

但這會出現(xiàn)一個問題，攻擊者可以通過跟蹤MAC地址來跟蹤一個人的行蹤。因此，會有避免跟蹤的設(shè)備來定期地改變其MAC地址。不夠，這又會產(chǎn)生其他問題。如果地址不斷變化，配對的設(shè)備將如何知道它們配對成功呢？我怎樣才能將我的MAC地址限制在只有我信任的設(shè)備上，同時還能保護我自己不被追蹤？

這就是要用到LE PRIVACY的地方，這個解決方案是在創(chuàng)建Bluetooth Smart（4.0標準）的基礎(chǔ)上引入的，它是解決這個問題的有效方法。在如上所述的第三階段的配對過程中，設(shè)備之間會交換各種密鑰。其中一個關(guān)鍵是身份解析密鑰（IRK），這個密鑰允許創(chuàng)建和解析在廣告數(shù)據(jù)包中使用的隨機MAC地址。

基本上，設(shè)備的真實MAC地址沒有真正改變。通過為設(shè)備的配對方提供IRK，你可以告訴被配對的設(shè)備如何“解析”MAC地址，以便稍后根據(jù)其隨機廣播地址來識別該設(shè)備。為確保設(shè)備重新連接，LE PRIVACY設(shè)備將創(chuàng)建一個廣播數(shù)據(jù)包，其中包含配對設(shè)備的目標MAC地址和隨機MAC地址作，此時配對設(shè)備就知道快速解析MAC地址以確定其身份，因為它可能與使用LE PRIVACY的多個設(shè)備進行配對。

這就為配對的兩個設(shè)備提供了一個很好的方式，即使進入睡眠模式，功率循環(huán)或設(shè)備之間的物理距離大于藍牙范圍而導致中斷，也仍然可以通過防止MAC地址跟蹤來確保用戶的隱私。

LE Privacy在測試中非常容易被發(fā)現(xiàn)，你只需掃描MAC地址并隨時追蹤即可。通過在設(shè)備上使用LE Privacy進行操作，便可可以產(chǎn)生流量，這樣會更容易發(fā)現(xiàn)。不過時間延遲會有所不同，這完全取決于制造商所設(shè)置的時間間隔。一般來說，從15到30分鐘不等，大多數(shù)實現(xiàn)LE Privacy的設(shè)備會在每個電源周期后都使用新的MAC地址。

總結(jié)

藍牙安全性是個非常復雜的話題，但是一旦你在設(shè)備的安全設(shè)置（如果存在）中進行了一些嗅探和探索，你就可以將問題大大地簡化。