BLE蓝牙的配对过程浅析

BLE蓝牙配对过程

在了解到Bluetooth协议的大概后，本篇文章简单的梳理一下BLE蓝牙的配对过程和配对过程的数据格式，对于后面理解蓝牙的集中配对模式及相关漏洞浅浅奠定一下基础。

和经典蓝牙一样，协议为处于连接状态的BLE设备，定义了两种Link Layer角色：Master和Slave。Master是连接的发起方（Initiator），可以决定和连接有关的参数（很重要，后面会详细介绍）。Slave是连接的接受方（Advertiser），可以请求连接参数，但无法决定。

在SM(Security Manager)的规范中，配对是指“Master和Slave通过协商确立用于加（解）密的key的过程”，主要由三个阶段组成：
配对是一个三阶段的过程。前两个阶段是必须的，第三阶段是可选的。

第一阶段：配对特征交换
第二阶段：短期秘钥（STK）生成
第三阶段: 传输特定秘钥分配

阶段1，称作“Pairing Feature Exchange”，用于交换双方有关鉴权的需求（authentication requirements），以及双方具有怎么的人机交互能力（IO capabilities）。

阶段2，通过SMP协议进行实际的配对操作，根据阶段1 “Feature Exchange”的结果，有两种配对方法可选：LE legacy pairing和LE Secure Connections。

阶段3是可选的，经过阶段1和阶段2之后，双方已经产生了加密key，因而可以建立加密的连接。加密连接建立后，可以互相传送一些私密的信息，例如Encryption Information、Identity Information、Identity Address Information等。

STK生成规则

Just work： 没有加密 TK=0x00
passkey entry： 密码输入如果 passkey 是 ‘019655’ TK的值就是0x00000000000000000000000000004CC7。
将输入的值作为一个6位数的十进制，转换成16字节的十六进制。
OOB： 带外的TK值是一个16字节的随机数，通过非BLE的方式传递给对端。

配对第一阶段 Pairing Feature Exchange

配对的过程总是以Pairing Request和Pairing Response的协议交互开始，通过这两个命令，配对的发起者（Initiator，总是Master）和配对的回应者（Responder，总是Slave）可以交换足够的信息，以决定在阶段2使用哪种配对方法、哪种鉴权方式、等等，具体包括：

配对方法

Master和Slave有两种可选的配对方法：LE legacy pairing和LE Secure Connections 。从命名上看，前者是过去的方法，后者是新方法。选择的依据是：
当Master和Slave都支持LE Secure Connections（新方法）的时候，则使用LE Secure Connections。否则，使用LE legacy pairing。

鉴权方式

所谓的鉴权（Authentication），就是要保证执行某一操作的双方（或者多方，这里就是配对的双方）的身份的合法性
设备在配对特征交换阶段交换人机交互能力（IO capabilities）来决定在第二阶段使用下面哪种方法：
JustWorks:只工作
PasskeyEntry：输入密码
Out Of Band（OOB）:带外

这种需要人参与的鉴权方式，在蓝牙协议里面称作MITM（man-in-the-middle）authentication，不过由于BLE设备的形态千差万别，硬件配置也各不相同，有些可以输入可以显示、有些只可输入不可显示、有些只可显示不可输入、有些即可输入也可显示，因此无法使用统一的方式进行MITM鉴权（例如没有显示的设备无法使用上面例子的方式进行鉴权）。为此Security Manager定义了多种交互方法：

LE Legacy Pairing - Just Works
Just Works方式不能抵抗窃听者和中间人攻击，只有在配对过程时没有遭受攻击，后面加密的链路的数据传输才是可信的。安全级别很低。

LE Legacy Pairing - Passkey Entry
这种方式通过输入6位数字的方式来进行配对，生成STK。6位数是随机产生的在000000到999999之间的数值，这个数值相当于一个TK，比如远端显示这个数字，需要在本地端输入这个数字给本地设备与远端配对。如输入019655，那此时的临时Key–TK是：0x00000000000000000000000000004CC7。

Out of Band 带外
这种方式是通过BLE之外的，设备上的其他方式来获取这个OOB data，比如通过IR红外，或其余的方式，因此对于蓝牙窃听者/攻击者而言这个data的传输是不可见的了，因此会显得要安全些。

在“Pairing Feature Exchange”阶段，配对的双方以下面的原则选择鉴权方法：

1）如果双方都支持OOB鉴权，则选择该方式（优先级最高）。

2）否则，如果双方都支持MITM鉴权，则根据双方的IO Capabilities（并结合具体的配对方法），选择合适的鉴权方式
3）否则，使用Just work的方式（不再鉴权）。

配对请求的数据格式

1. IO capabilities表明输入，输出的能力

Security Manager抽象出来了三种MITM类型的鉴权方法，这三种方法是根据两个设备的IO能力，在“Pairing Feature Exchange”阶段自动选择的。

输入是按键、键盘，输出是显示数字用的界面。

0x00 DisplayOnly 只能是显示000000 ~ 999999的数字
0x01 DisplayYesNo 显示Yes/No 的按钮
0x02 KeyboardOnly 只能是输入000000 ~ 999999的数字
0x03 NoinputNoOutput 没有输入也没有显示，只能用Just work工作方式
0x04 KeyboardDisplay 能输入000000 ~ 999999的数字和输出

2. OOB data flag

0x00 OOB 数据没有发送
0x01 OOB 数据通过远端设备发送（如IR）
0x02-0xFF 保留

3. 身份验证请求

Bonding_Flags b1b0 Bonding Type

• 00 No Bonding
• 01 Bonding
• 10 Reserved
• 11 Reserved

MITM

MITM域设置为1为请求MITM（中间人介入）保护，否则设置为0. 设备将标志设置为1为STK请求认证的安全属性。

选择Key生成的方法
如果auth Req中MITM没有，则说明不需要人参与中间，所以IO capabilities会被忽略，只用Just Works就OK了。
如果有OOB data，auth Req将可直接忽略，会直接选择OOB的方式了。

SC
SC字段是一个1位标志，设置为1以请求LE安全连接配对，否则应根据发起方和响应方支持的功能将其设置为0，可能的结果配对机制为：如果两个设备均支持 LE安全连接，使用LE安全连接； 否则，请使用LE旧式配对。

Keypress
keypress字段是一个1位标志，仅在Passkey Entry协议中使用，而在其他协议中将被忽略。 当双方将该字段设置为1时，应使用SMP配对按键通知PDU生成并发送按键通知。

4. MaximumEncryptionKeySize

最大秘钥长度，7到16字节之间

5. InitiatorKeyDistribution

发起者的秘钥分配，该域表明秘钥初始化设备请求分配使用。

配对请求命令中的“生成”字段由主机使用，以请求发起者向响应者分发或生成哪些**。

6. ResponderKeyDistribution

响应者的秘钥分配，该字段表明秘钥初始化设备请求响应设备来分配秘钥分配使用。
eg：

参考：
https://www.freesion.com/article/7914906679/
http://www.wowotech.net/bluetooth/le_security_manager.html
https://paper.seebug.org/1633/