深入理解低功耗蓝牙的配对过程- Part 4 LE Secure Connections

除了前面文章Part 3介绍的LE Legacy pairing，LE Secure Connections是配对的另一种方式。

LE Secure Connections是蓝牙v4.2中引入的一个增强的安全特性。它使用Federal Information Processing Standards(FIPS)兼容的算法，称为Elliptic Curve Diffie Hellman (ECDH)密钥生成。对于LE Secure Connections，它支持四种相关模型:

• Just Works
• Numeric Comparison (Only for LE Secure Connections)
• Passkey Entry
• Out of Band (OOB)

其中Numeric Comparison只支持LE Secure Connections这种配对模式，而不支持LE　Legacy pairing模式，这是一个较新的配对模式，下面我们分步骤的深入了解它。

第一阶段：配对特性交换

在Part 1中讨论过配对特性交换，在此我们回顾一下。下表是对请求/响应包的定义。在“AuthReq”字段中，有一个名为“SC”的位。如果设备支持LE Secure Connections 配对，则SC字段设置为1，否则设置为0。如果当两个设备都支持LE Secure Connections 配对，那么接下来的配对流程将会按LE Secure Connections pairing模式执行，否则将采用LE Legacy pairing模式。

Table 1 Pairing Request/Response

 

*Bit order is LSB to MSB.  

因此，如果两个设备想通过LE Secure Connections pairing模式进行配对，它们必须将“SC”设置为1，以表示对等设备“我具有安全连接的能力”。

 第二阶段：Key生成方法的选择

在配对特征交换之后，配对发起者和响应者应该确定将使用什么密钥生成方法。下面是密钥生成方法的示例C语法编码:

 

表2列出了用于数值比较的配对发起设备和响应设备的IO功能。当发起设备和响应设备都具有Display Yes/No 的I/O功能，或Dispay和Keyboard的I/O功能时，将使用数字比较（Numeric Comparison）配对模型。

Table 2 Mapping of IO Capabilities for Numeric Comparison

 

* – 表示用于除Numeric Comparison之外的其他密钥生成方法

第二阶段：认证

生成密钥之后，配对将进入第二阶段，即身份验证。其目的是防止中间人(MITM)攻击和生成密钥，这些密钥将用于加密连接的链路。

在公钥交换中，每个设备生成自己的椭圆曲线Diffie-Hellman(ECDH)公钥-私钥对。公钥-私钥对包含私钥和公钥。

• SKa,启动设备的私钥
• PKa,启动设备的公钥
• SKb,响应设备的私钥
• PKb,响应设备的公钥

Picture 1, the authentication process of Numeric Comparison

配对由发起设备将其PKa发送到响应设备开始。响应设备用它自己的PKb进行回应。在交换了公钥之后，设备就可以开始计算Diffie-Hellman密钥;你可以在图1中看到它从1b的末尾开始。

之后，每个设备每次随机选择一个128位的随机数。此随机数值用于防止重播攻击。

• Na,发起设备的一次128位随机数
• Nb,响应设备的一次128位随机数

然后，响应设备通过Nb、PKa、PKb和0计算一个结果Cb。如图1所示，步骤3。

步骤4，响应设备在接收到发起设备的Na之前必须共享Cb。

第5步，发起设备必须在接收到响应设备的Nb之前共享其Na。

第6步，发起设备收到响应设备Nb后，必须检查来自响应设备的Cb。

此时，发起或响应设备已经知道对等设备的公钥和随机数。发起设备可以从响应设备确认结果(Cb)。此时出现失败表明存在攻击者或其他传输错误，应该使配对过程中止，步骤6.a。

假设结果检查成功，两台设备各自计算6位确认值，并在各自的设备上显示给用户，用户需要检查这些6位数的值是否匹配，并确认是否正确匹配，如果没有匹配，配对将中止。

第三阶段：长期密钥-LTK

当身份验证成功时，两个设备开始计算用于链路加密的长期密钥（LTK）。这是配对和重新连接的最后一步，在不同的配对模式中，和对等设备进行身份验证，并防止中间人(Man in the Middle, MITM)攻击。参看下图空中数据包交互

LTK计算对于任何LE Secure Connections配对模型都是常见的，所以我将在下一篇文章中更详细地讨论它。

结论

根据用户体验和操作方便,与Part 3相比Numeric Comparison只需要两个按钮,yes和No，指示两个设备之间6位确认值是否匹配,它不需要密码的数字键盘输入,这样将改进并简化硬件I / O。同时，由于Numeric Comparison只存在于LE Secure Connections，它再次提供了更强的保护，如防窃听和防MITM的威胁。所以如果你需要开发一款对隐私敏感的产品，需要对蓝牙LE link进行高度保护，LE Secure Connections这种模式是一个不错的选择。

回顾前面文章所讨论的配对的几个阶段，用Ellisys抓取空中数据包来分析，能更直接的理解配对的整个过程，请参考下图：