蓝牙解析(part11):BLE SM(1): 配对特性交换(Pairing Feature Exchange)

     本文引自：https://blog.bluetooth.com/bluetooth-pairing-part-1-pairing-feature-exchange

 

蓝牙的Spec规格有三个主要架构层，从上往下依次是application，host and controller。其中host层有一个为配对和密钥分配定义方法和协议的安全管理模块(SM)，相应的安全工具箱以及定义配对指令框架形式，框架结构以及超时限制的安全管理器协议(SMP)。SM采用密钥分配的方式执行无线电通信中的身份和加密功能。配对以建立密钥，然后就能用密钥来加密链路。然后执行传输特定的(transport  specific)密钥分配来分享密钥。密钥可用来加密日后的重连，验证签名数据或者执行随机地址解析。

总的来说配对过程有3个阶段：

• Phase 1: 配对特性交换(Pairing Feature Exchange)

• Phase 2: 低功耗传统配对 (LE legacy pairing): 生成短期密钥(Short Term Key (STK) Generation)

• Phase 2: 低功耗安全连接 (LE Secure Connections):生成长期密钥( Long Term Key (LTK) Generation)

• Phase 3: 传输特定的秘钥分配 (Transport Specific Key Distribution)

       关于LE legacy pairing and LE Secure Connections，可能大部分人并不是很了解.简单来说，LE是蓝牙Spec4.0之后的主要特性之一，而蓝牙SPec4.2则继续对LE进行了升级，比如对物理传输添加了安全连接特性(Secure connections),升级了配对功能，在物理传输中采用了美国联邦信息处理(FIPS)许可的算法 (AES-CMAC and P-256 elliptic curve). 所以，为了加以区分，我们将Bluetooth 4.0 and 4.1 spec中的配对成为传统配对. Figure 1 为传统配对和安全连接都适用的配对流程图.

   这一篇中，我们主要讨论第一阶段，即配对特性交换。配对就是安全特性的交换，包括IO功能，对于中间人保护的要求等。两台设备之间的配对信息交换是通过配对请求(pairing request) and 配对响应(pairing response)数据包实现的。这两种信息的内容如下图所示：

（1）code

（2）IO

       IO，即input/output. IO功能结合在一起可生成这一字段的值。对于Input来讲，detail值列表如下：

对于Output来讲，detail值列表如下：

将input 和 Output整合起来，就有了以下矩阵，定义了蓝牙设备应有的IO能力，detail值列表如下：

注释1：因为没有配对算法可以使用“Yes/No”的Input和“NoOutput”的output，因此IO功能结果为“NoInputNoOutput”。

另外，从上面的矩阵，可以大致了解响应的IO功能，并从下表中选择合适的值，放置到Pairing request/response数据包。

（3）OOB data flag

OOB，即out-of-band，意为"带外"。采用外部通信方法交换一些配对过程中使用的信息。OOB没提可能是任何一种能够传输相应信息的其它无线通信标准，如NFC或者二维码。

.BF, “Bonding_Flags”

（4）BF(bonding flags)

绑定(Bonding),是配对发生之后的长期密钥交换，并将这些密钥储存起来以供日后使用，即在设备间创建永久的安全连接。配对机制是绑定的前提。

“MITM”

（5）“MITM”

MITM，即“Man-In-The_Middle”意为"中间人"。这一字段是1个比特位的标识，如果设备需要MITM保护，则设置为1.如果您对MITM有兴趣，请参考 the Bluetooth Core Specification v4.2, Vol1, Part A, 5.2.3.

（6）“SC”

SC，即“security connections”。这一字段是1个比特位的标识，设置为1，已请求低功耗安全连接配对.

可能的配对机制结果为：如果两台设备均支持SC，则采用SC；否则采用低功耗传统连接。因此这一标识是决定第二阶段配对方法的一项重要指标。

（7）“KP”

KP，即“keypress”。这一字段是1个比特位的标识，只用于万能钥匙(Passkey)进入协议，在其他协议中可忽略。万能钥匙进入是传统配对和安全连接的典型配对方法，因此这一部分将在后面进行单独讨论。

（8）“最大加密密钥规模（“Maximum Encryption Key Size”）”

最大加密密钥规模范围从7-16个八位字节。

（9）“发起者密钥分配和响应者密钥分配（“Initiator Key Distribution” & “Responder Key Distribution”）”

这两个字段定义如下。具体细节也将在后面进行单独讨论。

当配对特性的交换开始之后，发起者和响应者会通过配对请求和响应来交换彼此的信息。有了这些信息，发起者和响应者就能确认对方的IO能力(这是传统配对和安全连接都所需的)，然后选择配对方法—Just Work,Passkey Entry, Numeric Comparison or Out of Band—to use in Phase2. 详细内容请见BLE SM(2): 配对方法和密钥生成(Pairing Method and Key Generation).