使用BLE 4.2的系统设计使设备更加保护隐私和节能

在本系列文章的第一部分，我们讨论了蓝牙低功耗（BLE）4.2的数据长度扩展（DLE）和低功耗。在本文中，我们将讨论蓝牙低功耗的隐私保护功能、蓝牙4.2的新增功能以及为何这些变化能够使BLE设备更加保护隐私和节能。

隐私保护是BLE设备防止被不受信任的设备追踪的能力。BLE设备在广播数据包内使用48比特地址，如果该地址被其他设备解码了，那么根据这个地址就可以跟踪该BLE设备的移动。为了保护BLE设备的隐私，受信任的BLE设备将使用共享密钥“身份解析密钥”（Identity Resolving Key， IRK）的共享密钥。两个具有此共享密钥的BLE设备可以相互识别。一台BLE设备先利用该共享密钥生成一个随机的“可解析私有地址”发送出来，另一台设备则采用同一密钥来解析该私有地址。

蓝牙设备地址

蓝牙设备使用48比特的设备地址。设备地址被分类为：

• 公有设备地址

• 随机设备地址

1. 公有设备地址：公有设备地址由每台设备的公司ID和公司分配ID组成，遵循IEEE 802-2001标准。公司ID和公司分配ID值均为24比特，构成总数为48比特的地址，如图1所示。

图1：公有设备地址

2. 随机设备地址：顾名思义，随机设备地址是随机生成的地址。随机设备地址分为两种类型：

• 静态随机地址

• 私有随机地址

2.1 静态随机地址：静态随机地址可以是出厂前在设备上预先设定好的，也可以在每次开关机循环后更改一个新值。然而，只有设备经过一次完整的开关机循环后才可以更改此地址。如果在运行期间更改了该地址，存储在对端设备中的地址将失效，并且将不可再使用旧地址进行重新连接。静态随机地址有以下要求：

• 两个最高有效位恒为1

• 所有随机位数值都不能为0

• 所有随机位数值都不能为1

图2：静态随机地址

私有随机地址分两种类型 - 不可解析私有地址和可解析私有地址。

2.1.1不可解析的私有地址：不可解析的私有地址随机生成，并且每次连接都会发生变化。不可解析的私有地址有以下要求：

• 两个最高有效位恒为0

• 所有随机位数值都不能为0

• 所有随机位数值都不能为1

该地址不能和静态地址或公有地址相同。

2.1.2可解析私有地址（RPA）

可解析私有地址（RPA）是BLE设备隐私保护的重要支柱。RPA是指使用随机数字和身份解析密钥（IRK）所生成的地址。两个设备在配对期间共享IRK，其存储在设备的内置存储器中。两台配对设备除了共享IRK之外，还共享一个称为身份地址的固定地址。该身份地址可以是公有的或是随机的静态地址类型。因较早进行绑定的设备存有IRK和身份地址，因此能够解析配对设备的私有地址。图3所示为可解析私有地址的格式。

在RPA中，24比特的Hash是IRK和prand的函数。Prand是24比特的数字，它包含22个随机位数值以及2个固定的最高有效位数值；如图3所示。

图3：可解析私有地址

可解析私有地址的生成：可解析私有地址是与IRK和prand共同生成的。

Prand是随机生成的，有以下要求：

• prand的两个最高有效位数值应等于2b01

• prand的所有位元数值都不能为0

• prand的所有位元数值都不能为1

地址中的Hash部分则是利用prand和设备的128位IRK传递到加密函数“e”生成。此加密函数的输出截断为24个最低有效位数值，就是Hash数值。

Hash=e（IRK，prand *），截断为24位

*为了使prand的长度与IRK相同，prand增加了104位数值为0的空白位，确保原有的最低有效位保持不变。

24比特prand和24比特Hash组合生成随机地址。

可解析私有地址的解析： B设备如果具有A设备的IRK，则可以解析该A设备的可解析私有地址。可解析私有地址有24位的prand和24位的Hash。B设备通过A设备的prand和IRK来解析地址。当B设备接收到A设备的可解析私有地址后，会从该地址提取出Hash和prand，利用其生成本地Hash值。本地Hash的生成方式与在地址生成期间的方式完全相同。

本地Hash= e（A设备IRK、prand），截断为24位

如果B设备生成的本地Hash值与从地址中提取的A设备 Hash值匹配，则该地址被成功解析。如果B设备有一个以上对端的IRK，则该设备将为每个存储的IRK重复这一步骤，以确定接收到的可解析私有地址是否与存储的某一个IRK相关，直到IRK中某一个地址匹配成功或者所有地址匹配结束。

B设备在配对过程中收到对端设备的IRK和身份地址后，会将其与本地IRK一起存储在待解析列表中，用于将来解析私有地址。

在蓝牙4.1中，该解析列表保存在主机上，由主机完成地址解析，这意味着在每次收到附有可解析私有地址的广播包时，都需要主机参与解析地址。但在蓝牙4.2中，该解析列表保存在控制器中，由控制器解析私有地址，无需主机干预；而如果主机使用单独的CPU控制，则意味着不需要唤醒设备中的主机，从而降低了整体功耗。即使对于使用相同的CPU执行控制器和主机的设备，因为地址不再需要通过不同的协议层，也可以通过减少解析地址所需的CPU循环次数而降低功耗。此外，在没有主机参与的情况下，地址在链路层解析，可提供更快的连接。当在链路层完成地址解析时，Privacy 1.2也被称为链路层（LL）隐私。

可解析私有地址（RPA）超时

随机私有地址每隔一段时间自动更新，进一步降低了设备被跟踪的可能性。该时间间隔由主机设置，为RPA超时设置计时。当计时过期时，IRK和新的prand将会生成新的RPA。对于Privacy 1.1，RPA的超时时间固定为15分钟。蓝牙4.2中的Privacy 1.2将最小RPA超时时间减少为1秒，而最大超时时间可以为11.5小时。蓝牙4.2中RPA不断变化，私有设备难以被跟踪，从而提高了隐私性。

虽然蓝牙4.1和更旧的版本支持可解析私有地址，但由于对连接时间的影响和功耗的影响限制了可用性。在使用RPA时，不能在Privacy1.1中使用诸如设备过滤和定向连接广播这样的功能。

设备过滤

设备过滤是指减少其需要响应的同类设备数量，有助于减少功耗。设备在过滤功能启用时需要响应的那些同类设备地址和地址类型，存储在白名单中。该白名单由主机配置并保持在链路层。配置完成后，链路层用其来过滤对等设备。由于在蓝牙4.1中使用RPA时地址只能由主机解析，因此链路层不能过滤该设备。因此，对于蓝牙4.1，当使用RPA时不支持设备过滤。由于设备需响应每个对端设备，因此增加了私有蓝牙4.1设备的功耗。

在蓝牙4.2中，由于地址解析在链路层完成，即使使用RPA仍然可以过滤设备。现在，不在白名单上的设备不需要主机干预，因此降低了功耗。

定向连接广播

该定向连接广播PDU包含传播器的RPA，也包括想要连接至的设备RPA。这使得两个设备之间的连接变得更快。此外，辅助设备不需要与不打算连接的对等设备共享设备的具体详细信息。当基于蓝牙4.1的中央设备使用具备过滤隐私功能的设备时，定向连接广播不可用，因为其不能在链路层解析地址。然而，蓝牙4.2支持在链路层解析地址，因此支持定向广播连接。蓝牙4.2包括附加扫描过滤器政策设置，允许带可解析私有地址的定向广播。在辅助设备采用定向连接广播之前，必须检查对等设备的中央地址解析特性。中央地址解析特性告知设备对等设备是否支持地址解析。

综上所述，使用可解析私有地址时，BLE设备很难被追踪到；而RPA频繁变换且使用定向广播，则使得跟踪私有蓝牙4.2设备变得更加困难。在链路层的地址解析能够加速连接且降低功耗。此外，在蓝牙4.2中采用RPA时能够进行设备过滤，与使用蓝牙4.1或更旧版本的设备相比，可提高私有设备的功耗利用效率。