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。
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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：
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q = k * p
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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
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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。
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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
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