【Nordic博文分享系列】低功耗蓝牙安全开发实战：配对绑定深度解析

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。

Paring包含三个阶段：

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

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

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：

配对特性交换涉及三条PDU命令：

• Paring_Request

• Paring_Response

• 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：

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。

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

生成STK的算法如下所示：

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。

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。

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 address

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 address

如下为legacy paring可能分发的最多秘密信息的一个例子：

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：

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）

第2章是低功耗蓝牙通用配对流程，那么如何实现这个配对流程呢？也就是说，我该调用哪些API去实现配对流程，这些API调用的顺序又是如何，具体会产生哪些协议栈事件，该如何处理这些协议栈事件，这就涉及到协议栈的实现。Nordic蓝牙协议栈softdevice提供详细的工作流程图，以指导用户如何调用softdevice API去实现想要的配对流程，详细的配对流程图请参考infocenter如下界面：

比如S132协议栈，其从机端配对流程图链接为：https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.s132.api.v7.0.1%2Fgroup___b_l_e___g_a_p___p_e_r_i_p_h___s_e_c___m_s_c.html

以legacy paring，从机端显示passkey，主机端输入passkey为例，softdevice的配对流程图如下所示，链接为：

https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.s132.api.v7.0.1%2Fgroup___b_l_e___g_a_p___p_e_r_i_p_h___b_o_n_d_i_n_g___p_k___p_e_r_i_p_h___m_s_c.html

上述配对流程图把用到的API，产生的softdevice事件，以及softdevice事件如何处理，都一一阐明，大家只要按照这个流程图来做，就可以完成期望的配对。更让人省心的是，Nordic SDK已经把几种典型的配对场景做成了例子，大家可以直接就拿过来用，连上面的配对流程图都不用看，就可以轻松完成自己的配对应用。

Nordic提供的配对例子有：

ble_app_hids_keyboard，ble_app_hrs，ble_app_gls，ble_app_bps，ble_app_bms，ble_app_cscs，ble_app_hrs_nfc_pairing，experimental_ble_app_hrs_nfc_pairing，ble_app_hids_keyboard_pairing_nfc，ble_app_multirole_lesc等，基本上囊括了蓝牙各种配对情况。后面会以ble_app_hrs为例来详细讲解如何实现低功耗蓝牙配对。

nRF5 SDK把蓝牙配对做成了一个模块：peer_manager，也就是说，所有关于paring的工作都由peer manager自动完成，用户无需去了解softdevice底层API的使用方法，大家直接参考nRF5 SDK里面的例程就可以完成自己的配对应用开发。

nRF5 SDK提供的配对例子有：ble_app_hids_keyboard，ble_app_hrs，ble_app_gls，ble_app_bps，ble_app_bms，ble_app_cscs，ble_app_hrs_nfc_pairing，experimental_ble_app_hrs_nfc_pairing，ble_app_hids_keyboard_pairing_nfc，ble_app_multirole_lesc等，基本上囊括了蓝牙各种配对情况，下面将和大家一起来解读ble_app_hrs配对相关代码。

如果你对Nordic nRF5 SDK和softdevice不是很熟的话，建议你先看一下这篇文章：手把手教你开发BLE数据透传应用程序，以建立Nordic开发的一些基础知识，然后再往下看。

（BLE教程：https://www.nordicsemi.cn/blog/how-to-develop-ble-data-pass-through-applications/）

跟没有paring的ble应用代码相比，有paring的ble应用只多了一个初始化函数：peer_manager_init()，peer_manager_init实现代码如下所示：

peer_manager_init里面注册了一个回调函数：pm_evt_handler，用来添加一些用户自定义的处理，例子代码pm_evt_handler的实现如下所示：

至此，一个just works的蓝牙配对例子就算完成了，是不是有点懵？感觉太简单了以至于有点接受不了。没关系，下面我们在这个例子上加一些额外的功能，以加深大家对它的理解。

原始ble_app_hrs为just work方式的LESC配对，我们现在把它改成最高安全级别的numeric comparison LESC。我们的开发板没有显示器，因此我们将通过日志的方式把数字比较值输出，同时把button3的按下作为yes确认，button4的按下作为reject确认。

如何实现numeric comparison？前面我也提过，如果SDK有现成的例子，直接参考例子来；如果SDK没有现成的例子，那么就参考softdevice工作时序图。关于LESC numeric comparison，从机端的工作流程如下所示：

https://infocenter.nordicsemi.com/index.jsp?topic=%2Fcom.nordic.infocenter.s132.api.v7.0.1%2Fgroup___b_l_e___g_a_p___p_e_r_i_p_h___l_e_s_c___b_o_n_d_i_n_g___n_c___m_s_c.html

这里要强调一下，时序图会把有可能需要用到事件和API都列出来，但不意味着列出来的事件和API都需要你去处理，因为大部分事件和API都被peer manager模块处理好了，只有哪些灵活的无法预先确定的事件和API才会留给用户自己去处理。那哪些事件和API需要用户自己处理呢？一个原则：全文搜索一下，只要peer manager已经调用过的API，你就不用处理；而流程图中剩下的API就需要你自己去处理了。

比如上面这个例子，sd_ble_gap_sec_params_reply已经被peer manager模块处理了，所以你不用处理；而BLE_GAP_EVT_PASSKEY_DISPLAY和sd_ble_gap_auth_key_reply只在passkey和numeric comparison配对方式中才会出现，peer manager没有对其进行处理，因此需要用户自己处理。

为此，我们在ble_evt_handler中加上分支：BLE_GAP_EVT_PASSKEY_DISPLAY，并按照流程图的要求加上相应的处理，代码如下所示：

上面只是显示了passkey，如前所述，如果button3按下我们回复BLE_GAP_AUTH_KEY_TYPE_PASSKEY；如果button4按下我们回复BLE_GAP_AUTH_KEY_TYPE_NONE。相关代码如下所示：

如前所述，配对方式是由IO输入输出能力确定的，而且numeric comparison是具备MITM能力的，为此我们还需要修改如下两个地方：

苹果手机是不能手动发起配对请求的，为了让苹果手机自动发起配对请求，我们将如下characteristic的安全级别提高：（注：除了这种方法，我们也可以通过从机主动发起安全请求来达到同样的目的）

我这里以PCA10040/Keil5工程为例来编译，请编译工程：

nRF5SDK160098a08e2\examples\ble_peripheral\ble_app_hrs\pca10040\s132\arm5_no_packs

将编译好的代码下载到开发板中，测试的时候，我们先连接开发板，然后使能CCCD，此时不管Android手机还是苹果手机，都会跳出配对对话框，同时显示出配对码，如下 ：

开发板也把配对码打印出来了，如果两者一致，按下button3，整个配对流程顺利完成，开发板会打印如下信息：

上述代码已上传到百度云盘，大家可以去百度云盘下载：ble_app_hrs_nc.rar，然后解压缩到SDK根目录\examples\ble_peripheral，打开Keil5工程：SDK根目录
\examples\ble_peripheral\ ble_app_hrs_nc*\pca10040\s132\arm5_no_packs*，就可以直接编译和运行。

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，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；二是从机端主动发起安全请求，即security request，对应的API为pm_conn_secure，或者直接调用pm_handler_secure_on_connection。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。

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。

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。

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：

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。

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。为了确保手机会删除bonding信息，从机最好能主动发起安全请求，即主动发送security request给主机。

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再试一下。

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。

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。

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

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。