基于BLE安全攻击反制措施之浅析

近年来出现了越来越多的低功耗蓝牙应用，即BLE（Bluetooth Low Energy），比如说智能手环、防丢器等，对蓝牙的安全要求也越来越高。这篇文章将深入浅出说明BLE4.0~4.2中的一些安全攻击反制措施，从而引出BLE中最主要的两个安全机制“加密”和“认证”。

1. 加密（Encryption）

两个设备正常通信，Device1往Device2发送123，Device2往Device1发送456，这种通信方式非常危险，因为在空中的数据包都是明文。窃听设备Device3很容易就能获取Device1和Device2的通信内容。

图1

针对以上攻击，BLE4.0提供以下反制方法，Device1和Device2首先协商出一个密钥key，Device1将加密过后的数据Text1发送给Device2，Device2得到Text1之后根据之前协商的key解出Device1真正发送的内容123。第三方能够偷听到Text1和Text2，但是没有key就没办法解出Device1和Device2真正的通信内容。

图2

从上图可以知道，链路是否安全取决于密钥key会不会被Device3获取到。对于BLE4.0来说，其实只要Device3窃听Device1和Device2协商密钥过程，就能够获取密钥key，所以这是BLE4.0的一个漏洞，只有保证协商密钥过程中不被别人窃听，才认为链路是安全的。

针对BLE4.0的漏洞，BLE4.2增加了基于椭圆曲线的DH密钥交换协议（ECDH），使用该交换协议目的就是在Device3窃听的情况下，仍然能够协商出Device3不知道的密钥key。在举例子前，我们需要了解以下知识：

对于椭圆曲线的离散对数数学难题可用如下简单的话描述：

k为正整数，p是椭圆曲线上的点（称为基点）。

Q = k * p

已知k和p，很容易推导出Q；已知Q和p，很难推导出k。

对于该数学难题这里不展开说明，只说明它们是如何和BLE关联起来的，这里的‘*’不是普通乘法符号，看成是一种特殊的运算法则即可。

图3

经过ECDH之后，Device1和Device2就能得到共享密钥key，基于该共享密钥key可以衍生出LTK密钥，用于后续对称加密。至此，BLE的加密部分已到尾声，下一节将会从另一个攻击角度，引出BLE的另一个安全机制：认证。

2. 认证

Device1希望与Device2建立直接连接。但是，存在Device3屏蔽掉真实的信号，同时伪装成Device1和Device2，导致空间中实际存在两个连接，而不是一个连接，这样的攻击叫做中间人攻击。正常情况下， Device2和Device1建立连接之后会进行ECDH，形成第三方无法解密的安全链路，这一点我们在上一节提到过；但是在中间人攻击下，实际是Device3分别和Device1和Device2进行ECDH，所以对于Device3来说，Device1和Device2发送的数据都是没有秘密的。

图4

为了防止中间人攻击，BLE在连接之后加入了“认证”机制，目的就是在设备Device3存在的情况下，Device1知道自己连接上的是Device2还是设备Device3。

正常认证过程如下：

第一步：Device1和Device2交换公钥；

第二步：Device1和Device2用蓝牙以外的交流方式达成共识，使用相同的配对码；

第三步：Device1生成随机数Nai，Device2生成随机数Nbi；

第四步：Device1将相关参数代入函数f得出Cai，发给Device2；

第五步：Device2将相关参数代入函数f得出Cbi，发给Device1；

第六步：Device1将Nai发给Device2；

第七步：Device2用刚刚收到的Nai校验第四步收到的Cai；

第八步：Device2校验Cai成功，将Nbi发给Device1；

第九步：Device1用刚刚收到的Nbi校验第五步收到的Cbi。

图5

下图是中间人攻击下的认证过程，通过对比正常认证过程可以发现问题会出现在第五步。

为了让Device2第七步能够校验通过，Device3在第五步一定要发送给Device2恰当的Cai。

所以第五步似乎有两种方案：

将第四步收到的Cai，直接发给Device2。

因为pk1不等于pk2，所以第七步校验会出错。

私自捏造Cai发给Device2。

由于不知道Nai和passkey两个参数，所以无法确认Cai的值是多少。

也就是说，无论Device3怎么样做都没办法通过第七步校验，导致认证不通过。所以通过“认证”机制可以给连接提供中间人攻击保护。

图6

为了方便理解上面用到的例子是经过简化的，有些地方会与标准协议有出入，但是原理是一样的。

ZLG52810P0-1-TC是基于nrf52810的无线透传模块，串口AT指令控制，使用简单方便。除了支持BLE的加密和认证安全机制外，还支持BLE4.2的LE Data Packet Length Extension与BLE5的2M PHY特性，大大提高了传输速率。