【BLE】 BLE配对绑定保姆级介绍

什么是低功耗蓝牙配对？什么又是绑定？配对和绑定有什么区别？配对有什么好处？如何删除绑定信息？如何确定配对的安全等级？just work的配对一定就不安全吗？如何开发自己的配对应用？本文将对以上问题进行论述。

Paring（配对）和bonding（绑定）是实现蓝牙射频通信安全的一种机制，有两点需要注意：

1. 一是paring/bonding实现的是蓝牙链路层的安全，对应用来说完全透明，也就是说，不管有没有paring/bonding，你发送或接收应用数据的方式是一样的，不会因为加了paring/bonding应用数据传输需要做某些特殊处理；
2. 二安全有两种选项：加密或者签名，目前绝大多数应用都是选择加密，后续我们也会以加密为重点进行讲述

  实现蓝牙通信安全，除了paring/bonding这种底层方式，用户也可以在应用层去实现相同功能，两者从功能上和安全性上没有本质区别，只不过应用层自己实现的话，需要自己选择密码算法，密钥生成，密钥交换等，如果你不是这方面的专家，你的应用就有可能会存在安全漏洞。Paring/bonding则把上述过程标准化，放在了蓝牙协议栈中，并且其安全性得到了充分评估，用户可以 “无感的” 用上安全的蓝牙通信。

Paring/bonding是蓝牙security manager（SM）的一部分，SM定义了蓝牙通信的安全框架，里面涉及安全架构，密码工具箱，paring协议等，其中paring协议是关键，所以我们经常把paring和SM二者等价，下面将对paring进行详细阐述。

1、基本概念解读

°Paring（配对）

• 配对包括配对能力交换，设备认证，密钥生成，连接加密以及机密信息分发等过程，配对的目的有三个：加密连接，认证设备，以及生成密钥。从手机角度看，一旦设备跟手机配对成功，蓝牙配置菜单将包含该配对设备，如下所示：

• 如果用户需要主动删除配对设备，点击配对设备右边的“设置”菜单，出现如下界面，选择“取消配对”或者“忽略该设备”，设备的配对信息即被手机删除。

°Bonding（绑定）

• 配对过程中会生成一个长期密钥（LTK，long-term Key），如果配对双方把这个LTK存储起来放在Flash中，那么这两个设备再次重连的时候，就可以跳过配对流程，而直接使用LTK对蓝牙连接进行加密，设备的这种状态称为bonding。
• 如果paring过程中不存储LTK（不分发LTK）也是可以的，paring完成后连接也是加密的，但是如果两个设备再次重连，那么就需要重走一次paring流程，否则两者还是明文通信。
• 在不引起误解的情况下，我们经常把paring当成paring和bonding两者的组合，因为只paring不bonding的应用情况非常少见。在不引起混淆的情况下，下文就不区分paring和bonding的区别，换句话说，我们会把paring和bonding两个概念等同起来进行混用。

°SM（security manager）

• 蓝牙协议栈的安全管理层，规定了跟蓝牙安全通信有关的所有要素，包括paring，bonding，以及下文提到的SMP。

°SMP（security manager protocol）

• 安全管理协议，SMP着重两个设备之间的蓝牙交互命令序列，对paring的空中包进行了严格时序规定。

°OOB（out of band，带外）

• OOB就是不通过蓝牙射频本身来交互，而是通过比如人眼，NFC，UART等带外方式来交互配对信息，在这里人眼，NFC，UART通信方式就被称为OOB通信方式。

°Passkey

• 又称pin码，是指用户在键盘中输入的一串数字，以达到认证设备的目的。低功耗蓝牙的passkey必须为6位。

°Numeric comparison（数字比较）

• Numeric comparison其实跟passkey一样，也是用来认证设备的，只不过passkey是通过键盘输入的，而numeric comparison是显示在显示器上的，numeric comparison也必须是6位的数字。

°MITM（man in the middle）

• MITM是指A和B通信过程中，C会插入进来以模拟A或者B，并且具备截获和篡改A和B之间所有通信报文的能力，从而达到让A或者B信任它，以至于错把C当成B或者A来通信。
• 如果对安全要求比较高，需要具备MITM保护能力，在SM中这个是通过认证（authentication）来实现的，SM中实现认证的方式有三种：OOB认证信息，passkey以及numeric comparison，大家根据自己的实际情况，选择其中一种即可。

°LESC（LE secure connections）

• 又称SC，蓝牙4.2引入的一种新的密钥生成方式和验证方式，SC通过基于椭圆曲线的Diffie-Hellman密钥交换算法来生成设备A和B的共享密钥，此密钥生成过程中需要用到公私钥对，以及其他的密码算法库。
• LESC同时还规定了相应的通信协议以生成该密钥，并验证该密钥。需要注意的是LESC对paring的其他方面也会产生一定的影响，所以我们经常会把LESC看成是一种新的配对方式。

°Legacy paring

• 在LESC引入之前的密钥生成方式，称为legacy paring，换句话说，legacy paring是相对LESC来说的，不支持LESC的配对即为legacy paring（legacy配对）。

°TK（Temporary Key，临时密钥）

• legacy paring里面的概念，如果采用just work配对方式，TK就是为全0；如果采用passkey配对方式，TK就是passkey；如果采用OOB配对方式，TK就是OOB里面的信息。

°STK（short term key，短期密钥）

• legacy配对里面的概念，STK是通过TK推导出来的，通过TK对设备A和B的随机数进行加密，即得到STK。

°LTK（long term key，长期密钥）

• legacy配对和LESC配对都会用到LTK，如前所述，LTK是用来对未来的连接进行加密和解密用的。Legacy paring中的LTK由从设备根据相应的算法自己生成的（LTK生成过程中会用到EDIV（分散因子）和Rand（随机数）），然后通过蓝牙空中包传给主机。
• LESC配对过程中，先通过Diffie-Hellman生成一个共享密钥，然后这个共享密钥再对设备A和B的蓝牙地址和随机数进行加密，从而得到LTK，LTK由设备A和B各自同时生成，因此LTK不会出现在LESC蓝牙空中包中，大大提高了蓝牙通信的安全性。

°IRK（Identity Resolving Key，蓝牙设备地址解析密钥）

• 有些蓝牙设备的地址为可解析的随机地址，比如iPhone手机，由于他们的地址随着时间会变化，那如何确定这些变化的地址都来自同一个设备呢？
• 答案就是IRK，IRK通过解析变化的地址的规律，从而确定这些地址是否来自同一个设备，换句话说，IRK可以用来识别蓝牙设备身份，因此其也称为Identity information。IRK一般由设备出厂的时候按照一定要求自动生成。

°Identity Address（设备唯一地址）

• 蓝牙设备地址包括public，random static， private resolvable，random unresolved共四类。
• 如果设备不支持privacy，那么identity address就等于public或者random static设备地址。
• 如果设备支持privacy，即使用private resolvable蓝牙设备地址，在这种情况下，虽然其地址每隔一段时间会变化一次，但是identity address仍然保持不变，其取值还是等于内在的public或者random static设备地址。
• Identity Address和IRK都可以用来唯一标识一个蓝牙设备。

°IO capabilities（输入输出能力）

• 是指蓝牙设备的输入输出能力，比如是否有键盘，是否有显示器，是否可以输入Yes/No两个确认值。

°Key size（密钥长度）

• 一般来说，密钥默认长度为16字节，为了适应一些低端的蓝牙设备处理能力，你也可以把密钥长度调低，比如变为10个字节。

2、Paring流程及命令

°Paring包含三个阶段：

1、阶段1：配对特性交换，即交换各自都支持哪些配对特性，比如支不支持SC，支不支持MITM，支不支持OOB，以及它的输入输出能力等。

2、阶段2：密钥生成阶段，legacy paring和LESC paring两者的区别就在这里，因此后续我们会分开阐述legacy paring和SC paring的阶段2。

• Legacy paring：STK生成（注：legacy paring的LTK生成跟配对流程无关，如前所述，其是由从机自己生成的）
• SC paring：LTK生成

3、阶段3：通过蓝牙空中包分发一些秘密信息。Legacy paring需要分发LTK，IRK等，而SC paring只需分发IRK。秘密信息分发之前，必须保证连接已加密。

°Paring流程如下所示：

2.1阶段1：配对特性交换Paring流程及命令

°配对特性交换涉及三条PDU命令：

1、Paring_Request：

2、Paring_Response：

3、Security_Request：

°IO Capability占一个字节，其定义如下所示：

°AuthReq也是占用一个字节，其定义如下所示：

2.2阶段2：密钥生成

°根据阶段1的IO输入输出能力以及是否存在OOB，阶段2存在如下几种配对方式（或者说认证方式）：

• Just works
• Numeric comparison（LESC才有）
• Passkey
• OOB

对于legacy paring，如果A和B都支持OOB，那么两者就会采用OOB方式进行配对，否则根据IO能力选择配对方式。对于SC paring，如果A或者B有一方支持OOB，那么两者就会采用OOB方式进行配对，否则根据IO能力选择配对方式。不同的IO能力对应的配对方式如下所示。

粗略来说，有认证的配对方式就具备MITM保护功能，从IO角度看，有三种配对方式：just works，passkey和Numeric Comparison，其中just works没有MITM保护功能，而passkey和Numeric comparison具备MITM保护功能。换句话说，如果你要求你的设备具备MITM保护功能，那么它必须有一定IO能力，而不能是“NoInputNoOutput”。至于OOB方式有没有MITM保护，取决于OOB通信的安全性，如果OOB通信具备MITM保护，那么蓝牙也具备MITM保护，否则就不具备。

下面分legacy paring和sc paring对配对流程进行讲解。

2.2.1 legacy paring

°Legacy paring整个配对流程是围绕STK生成来做的：

设备的认证是通过设备A和B经由TK生成一个确认数，如果这个确认数相同，则认证通过。

如前所述，legacy paring需要先生成TK，TK的生成方式取决于配对方式：

• Just works。TK默认为全0
• Passkey。TK由6位passkey扩展而来
• OOB。TK直接由OOB数据提供

°然后生成确认数，算法如下所示：

LP_CONFIRM_I = c1(TK, LP_RAND_I, Pairing Request command, Pairing Response command, 
                initiating device address type, initiating device address, 
                responding device address type, responding device address)

LP_CONFIRM_R = c1(TK, LP_RAND_R, Pairing Request command, Pairing Response command, 
                initiating device address type, initiating device address, 
                responding device address type, responding device address)

°生成STK的算法如下所示：

STK = s1(TK, LP_RAND_R, LP_RAND_I)

°以passkey legacy paring为例，其第2阶段全工作流程如下所示：

Just works和OOB配对流程就不再赘述了，大家自己去看一下蓝牙核心规范的说明。

• 这里强调一下，配对完成之后，连接就会加密，而且加密的密钥是STK，而不是LTK。

对于legacy paring，如果A和B都支持OOB，那么两者就会采用OOB方式进行配对，否则根据IO能力选择配对方式。对于SC paring，如果A或者B有一方支持OOB，那么两者就会采用OOB方式进行配对，否则根据IO能力选择配对方式。不同的IO能力对应的配对方式如下所示。

2.2.2 LESC paring

°跟legacy paring不一样的地方：

LESC paring是通过Diffie-Hellman算法直接生成LTK，因此它不需要生成TK和STK。为了生成LTK，双方需要先交换公钥，流程如下所示：

• 公钥交换后，设备A和B就开始独自计算各自的DHKey，按照D-H算法，他们俩算出的DHKey会是同一个。而LTK和MacKey就是通过这个DHKey加密一系列数据而得到的。
• Legacy paring在整个配对流程中只做一次认证，而LESC paring会做两次认证。LESC第一阶段认证的原理是，设备A和B各生成一个随机数，然后认证这个随机数对不对。LESC第二阶段认证过程是：设备A和B通过MacKey各生成一个检查值，对方确认这个值对不对。

以LESC Numeric comparison为例，其第一阶段认证流程如下所示：

我们还是以LESC Numeric comparison为例，其第二阶段全工作流程如下所示：

一旦LTK生成成功，主机端就可以发起加密连接流程，如下所示：

至此，LESC连接被LTK加密了，后面就可以分发秘密信息了。

2.3 阶段3：秘密信息分发

°一旦连接加密了，主机和从机之间就可以分发一些秘密信息。如果是legacy paring，如下秘密信息必须分发：

• LTK
• EDIV
• Rand

°同时根据情况，legacy paring还需分发如下信息：

• IRK
• Identity adresss

°对于LESC paring，秘密信息分发是可选，一般有可能分发如下信息：

• IRK
• Identity adresss

如下为legacy paring可能分发的最多秘密信息的一个例子：

2.4 绑定，重连和加密

°如果配对的两个设备生成了LTK及其他秘密信息：

如上所述，如果配对的两个设备生成了LTK及其他秘密信息，并且把LTK及其他秘密信息保存到Flash等永久化存储设备中，那么我们就可以说这两个设备绑定成功。换句话说，paring和bonding是两个不同的概念，paring更强调认证和密钥生成，而bonding更强调密钥保存。一旦两个设备bonding成功，那么这两个设备断开再次重连的时候，主机就可以发起加密流程，从而使用paring生成的LTK对后续的连接进行加密。主机发出加密连接流程如下所示：

这里说明一下，加密连接只能由主机发出，而不能由从机发起。不过从机可以发出加密请求，主机收到从机的加密请求后，可以发起加密连接也可以拒绝其请求。如下为主机同意从机的加密请求的工作流程：

2.5 配对命令一览表

°如下为SM中用的PDU命令列表：

（注：加密连接命令属于LL控制命令，所以没有包含在其中）

3. 关于配对的一些小贴士

°苹果手机的一点不同：

安卓手机允许用户手动发起paring请求，而苹果手机则没有这个功能。因此，即使你的characteristic没有使能安全级别，安卓手机还是可以跟你的设备完成配对的，而苹果手机则不支持这个功能，苹果手机要不要跟设备进行配对，不能由人来控制的，只能由苹果iOS来控制。

欲触发苹果iOS发起配对请求，有两种方法：

1. 一是将某个characteristic加上安全认证权限，这样iOS在服务发现过程中就会自动发起配对请求，以满足characteristic的安全认证级别；
2. 二是从机端主动发起安全请求，iOS收到从机的安全请求后，会等待用户的授权确认从而发起配对请求。这两种方法在ble_app_gls中都有体现，大家可以参考相关代码。

°重连加密等级：

绑定成功后，如果发生重连，那么主机应该自动发起加密连接请求，以对连接进行加密。一般来说，在连接没有成功加密前，主从机不要做敏感数据的交互，否则softdevice API会报NRF_ERROR_FORBIDDEN。对于有MITM保护的加密连接，在收到PM_EVT_CONN_SEC_SUCCEEDED这个事件后，设备应该去检测连接的安全等级是否符合要求，具体可参考ble_app_gls例子的做法。

°Service changed（服务改变）：

设备跟手机绑定成功后，手机再次重连这个设备时，就会自动跳过service discovery过程，换句话说，配对的时候手机会把设备所有服务和characteristic的handle保存下来，二次重连的时候，直接用以前保存的handle值去操作设备。

• 但是，如果设备的服务改变了，此时手机再用之前的handle去操作设备，就会出问题。为了解决这个问题，在GATT主服务里面引入了service changed characteristic，如下所示：

有了这个characteristic，当设备的服务发生改变时，设备就可以通过这个characteristic发送一个indicate PDU给到手机，从而手机知道设备的服务已发生了改变，此时手机会重新发起service discovery流程，以重新获得service和characteristic最新的handle列表。欲添加service changed characteristic，你只需在sdk_config.h文件中打开如下两个宏：

然后当服务发生改变时，调用pm_local_database_has_changed()，协议栈就会自动发起service changed indicate PDU给手机，从而引起手机重走服务发现过程。

°删除主机端绑定信息：

如果手机端删除了绑定信息，为了安全起见，设备端也需要跟着一起删除绑定信息，否则手机无法再次跟设备进行配对，这个是最理想的情况，但是我们有的设备没有任何输入接口，无法手动删除绑定信息，这个时候能不能有一种办法可以让手机跟设备进行二次配对呢？

• 为此，Nordic提供了一种workaround，在蓝牙事件回调函数里面，加上如下代码即可：

​    if (p_evt->evt_id == PM_EVT_CONN_SEC_CONFIG_REQ)

​    {

​        pm_conn_sec_config_t cfg;

​        cfg.allow_repairing = true;

​        pm_conn_sec_config_reply(p_evt->conn_handle, &cfg);

​    } 

这样，即使用户把手机端paring信息删掉，设备端paring信息没有删掉，手机还是可以跟设备进行二次配对的。

°删除从机端绑定信息：

跟上面相反，如果设备端bonding信息被删除了，而手机端bonding信息没有被删除，这种情况下如何实现二次配对？

• 最安全的方式，让用户主动删除手机端绑定信息，但是很多开发者希望，用户体验好一点，也就是说，碰到这种情况希望手机能自动删除绑定信息，这个能不能实现跟手机有很大关系，首先我们确保协议栈返回LL_REJECT_IND or LL_REJECT_EXT_IND，错误码为“PIN or key missing”，一般而言，手机收到这个PDU后，都会自动删除bonding信息。
• 如果上述方法行不通的话，那么发送完LL_REJECT_IND后再调用断开函数（sd_ble_gap_disconnect），同时将断开原因设为BLE_HCI_AUTHENTICATION_FAILURE即可。

°同时绑定多个设备：

Nordic SDK是支持一个设备同时跟多个主机绑定，只要设备存储空间足够大，那么可以绑定的设备数就不设限。nRF5 SDK中bonding信息也是通过fds来存储的，也就是说绑定信息和用户Flash数据共享同一块空间，如果需要绑定多个设备，那么FDS_VIRTUAL_PAGES这个宏的值必须进行修改，以保证分配的Flash空间可以同时容纳bonding信息和用户Flash数据。

• 一般来说，如果需要绑定多个设备，请设置一个最大绑定数，比如8个，这样，一旦检测到绑定数达到8了，就可以把以前老的bonding设备删除，从而节省存储空间。那如何知道哪个设备是老设备哪个设备是新设备？这个是通过peer rank来实现的，大家只要使能PM_PEER_RANKS_ENABLED这个宏，就可以自动实现排序。

°循环绑定测试：

很多开发者喜欢做循环绑定测试，即同一部手机不断跟同一个设备进行配对，然后删除配对信息，然后再进行配对，他们测试下来发现：

• 达到一定次数后，设备就工作不正常了，这个是由于当bonding信息不断累积而不进行删除的话，那么分配给fds的Flash空间就会耗尽，从而导致异常出现（最新的SDK会在Flash存储空间耗尽时，自动删除最老设备的绑定信息，但即使这样，对用户Flash数据的操作影响还是很大）。
• 解决这个问题的方法就是设定一个最大bonding数，达到这个数目后，删除老bonding信息，从而达到循环利用Flash空间的目的。当然如果你的fds只是用来存储bonding信息而不做其他用户数据操作的话，那么就没有必要加上这个功能了。

°白名单与绑定：

虽然白名单和绑定二者没有任何联系，但是我们一般都把两者结合起来一起使用，以达到我们的使用期望。当两个设备绑定成功后，我们就可以将对方的mac地址或者IRK放入白名单中，同时开启白名单广播，这样设备只跟白名单中的主机进行连接，白名单以外的设备在controller层面就被过滤掉了，从而提高私密性以及连接效率。

这样，即使用户把手机端paring信息删掉，设备端paring信息没有删掉，手机还是可以跟设备进行二次配对的。

°删除从机端绑定信息：

跟上面相反，如果设备端bonding信息被删除了，而手机端bonding信息没有被删除，这种情况下如何实现二次配对？

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• 最安全的方式，让用户主动删除手机端绑定信息，但是很多开发者希望，用户体验好一点，也就是说，碰到这种情况希望手机能自动删除绑定信息，这个能不能实现跟手机有很大关系，首先我们确保协议栈返回LL_REJECT_IND or LL_REJECT_EXT_IND，错误码为“PIN or key missing”，一般而言，手机收到这个PDU后，都会自动删除bonding信息。
• 如果上述方法行不通的话，那么发送完LL_REJECT_IND后再调用断开函数（sd_ble_gap_disconnect），同时将断开原因设为BLE_HCI_AUTHENTICATION_FAILURE即可。

°同时绑定多个设备：

Nordic SDK是支持一个设备同时跟多个主机绑定，只要设备存储空间足够大，那么可以绑定的设备数就不设限。nRF5 SDK中bonding信息也是通过fds来存储的，也就是说绑定信息和用户Flash数据共享同一块空间，如果需要绑定多个设备，那么FDS_VIRTUAL_PAGES这个宏的值必须进行修改，以保证分配的Flash空间可以同时容纳bonding信息和用户Flash数据。

• 一般来说，如果需要绑定多个设备，请设置一个最大绑定数，比如8个，这样，一旦检测到绑定数达到8了，就可以把以前老的bonding设备删除，从而节省存储空间。那如何知道哪个设备是老设备哪个设备是新设备？这个是通过peer rank来实现的，大家只要使能PM_PEER_RANKS_ENABLED这个宏，就可以自动实现排序。

°循环绑定测试：

很多开发者喜欢做循环绑定测试，即同一部手机不断跟同一个设备进行配对，然后删除配对信息，然后再进行配对，他们测试下来发现：

• 达到一定次数后，设备就工作不正常了，这个是由于当bonding信息不断累积而不进行删除的话，那么分配给fds的Flash空间就会耗尽，从而导致异常出现（最新的SDK会在Flash存储空间耗尽时，自动删除最老设备的绑定信息，但即使这样，对用户Flash数据的操作影响还是很大）。
• 解决这个问题的方法就是设定一个最大bonding数，达到这个数目后，删除老bonding信息，从而达到循环利用Flash空间的目的。当然如果你的fds只是用来存储bonding信息而不做其他用户数据操作的话，那么就没有必要加上这个功能了。

°白名单与绑定：

虽然白名单和绑定二者没有任何联系，但是我们一般都把两者结合起来一起使用，以达到我们的使用期望。当两个设备绑定成功后，我们就可以将对方的mac地址或者IRK放入白名单中，同时开启白名单广播，这样设备只跟白名单中的主机进行连接，白名单以外的设备在controller层面就被过滤掉了，从而提高私密性以及连接效率。

• 这种情况下，哪怕是合法的设备，如果之前没有跟设备绑定，那么它也无法跟设备建立连接。换句话说，如果你想把新设备加入到白名单中，那么首先需要禁止白名单广播而采用普通广播，然后跟新设备进行配对，成功后再把新设备身份信息加入到白名单中。白名单与绑定的例子具体可参考：ble_app_hids_keyboard。

°Authenticated payload timeout：

大家都知道蓝牙连接有一个supervision timeout时间，也就是说，当建立连接的两个设备，任何一方在supervision timeout（比如4s）时间内，没有给对方发送任何蓝牙空口包，此时认为连接已断开，并触发supervision timeout事件。

• 当设备双方建立加密连接后，不仅有上述的supervision timeout，还有一个authenticated payload timeout，authenticated payload timeout默认为30s，它的意思是，两个设备加密后，30s内必须有一个有数据的空口包交互，而不能一直发空包，否则认为authenticated payload timeout。
• Authenticated payload timeout是协议栈自动管理的，对软件开发来说是透明的，每30s时间到，如果期间没有任何有效数据包交互（一直在发空包），协议栈会自动发送一个ping request给对方，以避免authenticated payload timeout的出现（注：这里的协议栈既可以是设备的协议栈，也可以是手机的协议栈）。
• 有时候不想等到30s超时到了再发送ping request，大家可以在connected事件中，调用如下API以提前发出ping request。

当然，如果你能保证每30s时间内，手机和设备之间肯定会有有效数据包交互，或者手机端能及时准确地发出ping request，那么上述过程就完全没有必要了。