安全性是設計物聯(lián)網（IoT）應用時面臨的最大挑戰(zhàn)之一,。由于物聯(lián)網設備通過無線方式進行通話,，因此一切控制和狀態(tài)信息以及私人用戶數(shù)據都可能會暴露于風險之中,。不安全的物聯(lián)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(tǒng)，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(lián)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(lián)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(shù)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(jiān)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(shù)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(xiàn)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(shù)，prand則由22位隨機數(shù)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(shù)'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(shù)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(fā)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(lián)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(fā)送配對請求和響應以及配對參數(shù),，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(shù)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(huán)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(shù),，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(xiàn)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(shù)。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(xiàn)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(shù)字電路的嵌入式系統(tǒng)應用,，同時使用C＃開發(fā)GUI（圖形用戶界面）,。

　　Sachin Gupta現(xiàn)任職于賽普拉斯半導體公司物聯(lián)網業(yè)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(fā)和產品營銷方面擁有9年的經驗。