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在物聯網應用中,如何確保BLE連接的安全

發布時間:2019年03月01日 13:03    發布者:eechina
關鍵詞: BLE , 物聯網安全 , 竊聽
作者:Pushek Madaan,賽普拉斯半導體

安全性是設計物聯網(IoT)應用時面臨的最大挑戰之一。由于物聯網設備通過無線方式進行通話,因此一切控制和狀態信息以及私人用戶數據都可能會暴露于風險之中。不安全的物聯網設備可能會使人員生命和財產面臨風險,而不是帶來更便捷的生活。試想一下,有人可以攻擊家庭照明控制系統,跟蹤到用戶何時在家,然后闖入家中。或者有人可以通過偽造您的身份,然后開啟您的智能鎖。

為保障物聯網設備的安全性,需要進行以下三項部署:

對未經授權的設備隱藏設備身份的機制 - 身份保護對于保護用戶免受破壞者跟蹤其物理位置至關重要。如果沒有足夠的保護,物聯網設備會使用戶面臨隱私泄露以及潛在的生命或財產威脅。這一情況類似于有人根據您的汽車注冊編號對你進行跟蹤。

防止被動竊聽- 被動竊聽是指收聽兩臺設備之間私人通信的過程。被動竊聽者靜靜地聽取通信,但不會更改數據。

防范中間人攻擊 - 中間人(MITM)攻擊是所有安全威脅中最為嚴重的一種情況。在這種情況下,稱為MITM攻擊者的第三臺設備不僅可以監聽兩臺設備之間的私密通信,還可以模仿其中任意一臺設備并更改數據。

對未經授權的設備隱藏設備身份

BLE設備使用48位地址,如果該地址可被另一臺設備解碼,則后者可對前者實時跟蹤。BLE使不可信設備難以通過頻繁更改地址來實施跟蹤。以上是通過使用僅可信設備可用的身份解析密鑰(IRK)實現的。對鏈路進行加密后,可信設備之間可在配對過程中共享IRK。然后將其作為綁定過程的一部分存儲在內部。這一類型的地址稱為可解析私有地址(RPA)。

可解析私有地址包含兩個組件 - 24位hash和24位prand。hash是IRK函數,prand則由22位隨機數和兩個固定的MSB(最高有效位)組成。

隨機產生的22位prand不能所有位都為'1'或'0'。之后,使用IRK和prand作為加密函數'e'的輸入變量計算hash。

Hash = e(IRK,prand),截斷為24位

設備IRK是一組128位數字。通過104位填充連接,其中填充位設置為‘0’,使得prand的大小與IRK一致。原始prand的LSB(最低有效位)在填充后依然是prand的LSB。生成后的hash將與prand連接從而生成RPA。

為解析RPA,需要使用在廣告包中接收的prand和在配對過程中接收的IRK生成本地hash。然后將這一本地hash與地址中的hash進行比較。如果匹配,則可解析地址。由于一臺設備可存儲來自多臺設備的IRK,因此可使用存儲的每一個IRK逐個計算本地hash值,直至匹配為止。

BLE 4.2及更高版本允許該地址最快可每秒更改一次,最長更改間隔為11.5小時,這稱為RPA超時。RPA更改的頻次越高,對設備實施跟蹤就越困難。

防止被動竊聽

假設在一次會議中,交談中有兩個人突然切換到與會的其他人難以聽懂的他們的母語,那么,將會發生什么情況?事實上通過這一方式,他們讓這一部分對話免受被動竊聽。類似地,BLE設備使用共享密鑰對鏈路進行加密。因此,沒有秘鑰的設備將無法理解鏈路加密之后設備之間的對話。保護強度取決于鑰匙強度–即獲取或猜測鑰匙的難易程度。

BLE(4.2或更高版本)使用符合美國聯邦信息處理標準(FIPS)的Elliptic Curve Diffie-Hellman(ECDH)算法來生成和交換密鑰。之后,這些密鑰用于生成其他密鑰,也稱為DHKey共享密鑰。再之后,可通過DHKey共享密鑰對鏈路進行加密或生成另一組密鑰對鏈路進行加密。

在BLE設備中,這一安全通信的基礎是在配對過程中建立的。配對過程分為三個階段:

在第1階段,配對過程中涉及的兩臺設備發送配對請求和響應以及配對參數,其中包括設備的性能和安全要求。在此之后,兩臺設備將根據交換參數的值選擇配對方式。

第2階段涉及設備身份驗證和鏈路加密。該階段建立的安全性環境可確保設備不受被動竊聽和MITM攻擊。

如前所述,為防止被動竊聽,BLE使用符合FIPS標準的ECDH算法,使設備能夠在不安全的信道上建立共享密鑰,然后使用該秘鑰或其衍生秘鑰對鏈路進行加密。

為便于理解ECDH算法的工作原理,我們給出了非常經典的Alice和Bob示例(參見圖5)。Alice和Bob希望建立一個安全的通信鏈路,然而他們正在通信的信道正在被第三方Eve竊聽。

1.        Alice和Bob生成了他們自己的私鑰和公鑰,其中私鑰d是從[1到n-1]的隨機數,并通過將d乘以G, dG獲得公鑰Q。
假設Alice的私鑰和公鑰是dA和QA = dAG,Bob的私鑰和公鑰分別是dB和QB = dBG。

2.        Alice和Bob在不安全的頻道上互相分享他們的公鑰QA和QB,而該信道正在被Eva竊聽。Eve可以攔截QA和QB,但她無法確定私鑰。

3.        Alice使用自己的私鑰QBdA計算共享密鑰,Bob則使用QAdB計算共享密鑰。請注意,共享密鑰是相同的。

S = QBdA = (dBG)dA = (dAQ)dB = QAdB

4.        現在,Alice和Bob可使用該共享密鑰保護其通信,或使用該共享密鑰生成另一個密鑰。而Eve則無法計算該密鑰,因為她僅僅知道QA和QB。

以上示例假設Alice和Bob都使用相同的域參數。在LE Secure(低功耗安全)連接的情況下,兩臺設備默認遵循FIPS標準的P-256 ECDH機制。

一旦兩臺BLE設備成功生成共享密鑰,它們就會生成長期密鑰(LTK)和MAC(介質訪問控制)密鑰。MAC密鑰用于確認生成的密鑰是否正確。成功確認后,兩臺設備都將使用LTK對鏈路進行加密。請注意,該LTK永遠不會通過無線共享,因此被動竊聽者將無法計算LTK,竊聽者也將無法攔截兩臺設備之間交換的信息。

雖然ECDH提供的安全性保護可防止被動竊聽,但卻并不能阻止設備免受MITM攻擊。為防止MITM攻擊,基于設備的I / O功能,BLE使用身份驗證作為配對過程第2階段的一部分。

關于作者:
Pushek Madaan現任職于賽普拉斯半導體印度公司,擔任高級應用工程師。他主要使用C語言和匯編語言設計用于模擬和數字電路嵌入式系統應用,同時使用C#開發GUI(圖形用戶界面)。

Sachin Gupta現任職于賽普拉斯半導體公司物聯網業務部,擔任資深產品營銷工程師。他擁有德里洲際大學(Guru Gobind Singh Indraprastha University)電子與通信學士學位。Sachin在SoC應用開發和產品營銷方面擁有9年的經驗。
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