蓝牙 - BLE安全连接中的数字比较法

LE模式下，传统的配对方式是使用passkey的。除了这种方法，还有一种LE Secure Connections的配对方法。这种LE安全连接是蓝牙v4.2版本中引入的一个增强的安全功能。它生成密钥的方式，是一种兼容 Federal Information Processing Standards (FIPS)的算法，叫做Elliptic Curve Diffie Hellman (ECDH)。

两个蓝牙设备连接前要进行配对，或者叫做把两个蓝牙设备关联起来，所以配对方法可以叫做association model。

BLE的蓝牙配对支持四种模式：

* Just Works  // 直接可用

* Numeric Comparison (Only for LE Secure Connections)  // 数字比较

* Passkey Entry  // 密钥输入的传统模式

* Out of Band (OOB)  // 使用NFC等读取连接数据

在LE安全连接中才使用数字比较，其他传统的配对模式不使用。这是一种相对较新的配对模式。下面我们将详细介绍这种方法。

1. Phase 1 – Pairing Feature Exchange  // 第一阶段，配对设置信息交换

表1是配对的请求/响应包的定义。在 "AuthReq "字段中，有一个名为 "SC "的位。如果设备支持LE安全连接配对，那么SC字段应设置为1，否则应设置为0。如果两个设备都支持LE安全连接配对，那么应使用LE安全连接配对，否则应使用LE传统配对。

因此，如果两个设备想通过LE安全连接进行配对，他们必须将 "SC "位设置为1，以指示对端设备(peer device) "我有安全连接的能力"。

2. Phase 2 – Key Generation Method Selection // 第二阶段，选择密钥生成方法

在配对设置信息交换后，发起方和响应方应确定要使用何种密钥生成方法。下面是密钥生成方法的C语言语法编码例子：

表2列出了使用数字比较法的发起设备和响应设备的IO能力。当发起设备和响应设备都有Display and Yes/No或Display and Keyboard的I/O能力，将使用数字比较配对模式。

3. Phase 2 – Authentication // 第二阶段，进行认证

密钥生成后，配对将进入第二阶段，即认证阶段。其目的是防止中间人（Man-In-The-Middle, MITM）攻击，并生成将用于加密数据链接的密钥。

在公钥交换中，每个设备生成自己的Elliptic Curve Diffie-Hellman(ECDH)公钥-私钥对。公钥-私钥对包含一个私钥和公钥。

SKa, 发起设备的私钥

PKa, 发起设备的公钥

SKb, 响应设备的私钥

PKb，应答设备的公钥

图1，数字对比(Numeric Comparison)的认证过程

配对是由发起设备向响应设备发送其PKa开始的。响应设备用它自己的PKb进行回复。公钥交换后，设备可以开始计算Diffie-Hellman密钥；你可以看到它从图1中1b结束时开始。

之后，每个设备选择一个随机的128位随机数。这个值是用来防止重放攻击(replay attack)的。

- Na, 发起设备的128位随机数。

- Nb, 响应设备的128位随机数。

在这之后，应答设备会计算出一个应答值(commitment)，Cb，它是用Nb、PKa、PKb和0计算出来的，如图1所示的步骤3。

第4步，响应设备必须在收到发起设备的Na之前分享Cb。

第5步，发起设备必须在收到响应设备的Nb之前分享其Na。

第6步，发起设备必须在收到应答设备的Nb后检查来自应答设备的Cb。

此时，发起设备或响应设备已经知道对端设备的公钥和随机数。发起设备可以确认来自应答设备的应答值（Cb）。这时如果失败则表明存在攻击者或其他传输错误，应导致配对过程中止，步骤6.a。

假设应答值检查成功，两个设备各自计算出6个数字的确认值(confirmation values)，在各自的设备上显示给用户。用户应检查两边的6位数的数字是否匹配，并确认是否匹配。如果不匹配，则配对中止。

4. Phase 3 – Long Term Key, LTK // 第三阶段 - 长期密钥，LTK

当认证成功后，两个设备开始计算LTK，这将用于链接加密。 这是配对和以后再重新连接的最后一块拼图：在不同的配对模式中，认证对端设备并防止中间人（MITM）攻击。而LTK的计算在LE的任何配对模式中都是通用的，这里暂不做介绍。

5. Conclusion // 总结

根据用户体验和便利性，相比于传统配对模式 "密钥输入"(Passkey Entry)，"数字比较"(Numeric Comparison)只需要两个按钮，YES和NO，来表示这两个设备之间的6位数确认值是否匹配，它不需要一个从 "0 "到 "9"的数字键盘来输入密钥(passkey)，所以这是一个简化硬件I/O能力的改进。同时，由于在于LE安全连接中使用了数字比较方法，它提供了更强的保护，避免了窃听和MITM等威胁。所以，伙计们，如果你开始开发一个对隐私敏感的产品，并且需要对蓝牙LE链接进行高度保护，这种数值匹配方法是你的一个好选择。

如果你平时多加注意，有时会发现，两个蓝牙设备连接时，是在各自设备上显示一串数字，如果两边数字一样，点击确认，这两个设备就连接到一起了。

参考：

Bluetooth Pairing Part 4:Bluetooth Low EnergySecure Connections -Numeric Comparison | Bluetooth® Technology Website