蓝牙钥匙 第6次 蓝牙安全性基础：全面解析加密机制、威胁防护与密钥管理策略

在无线连接无处不在的今天，蓝牙安全已成为每个人都需要关注的重要议题

蓝牙技术已经深入我们生活的方方面面，从无线耳机、智能家居到车载系统，蓝牙连接带来了极大的便利。然而，随着应用的普及，蓝牙安全问题也日益凸显。黑客可以利用蓝牙漏洞入侵设备、访问敏感信息，甚至远程控制设备，造成数据丢失、财务损失或声誉风险。本文将深入探讨蓝牙安全的基础原理、加密与认证机制、常见威胁及防护措施，以及密钥管理策略，帮助您全面了解蓝牙安全并采取有效的防护手段。

蓝牙安全基础概述

蓝牙技术通过在链路层和应用层提供安全机制来保证通信安全。蓝牙安全体系基于多种技术组件和协议，共同构建了一个多层次的安全防护网络。

蓝牙标准定义了三种安全模式，每种模式针对不同的应用场景和安全需求：

安全模式1：无安全要求 – 此模式禁用链路级安全功能，适用于非敏感信息的访问，如自动交换名片和日历。

安全模式2：强制业务级安全 – 提供业务级的安全机制，在信道建立后启动安全性过程，允许并行运行有不同安全要求的应用程序。

安全模式3：强制链路级安全 – 提供链路级的安全机制，在信道建立以前启动安全性过程，对所有建立连接的应用程序强制执行统一的安全标准。

蓝牙技术标准还为蓝牙设备和业务定义了安全等级。设备分为三个信任级别：可信任设备（已通过鉴权，存储了链路密钥，在设备数据库中标识为”可信任”）、不可信任设备（已通过鉴权，存储了链路密钥，但未标识为”可信任”）和未知设备（无安全性信息）。业务的安全级别则由需授权、需鉴权和需加密三个属性决定。

蓝牙加密与认证机制

加密算法与技术实现

蓝牙系统采用流密码加密技术，适于硬件实现，密钥长度可以是0、40或64位。实际上，蓝牙技术标准中包含了128位加密机制，提供了更高的安全强度。

蓝牙系统加密算法为数据包中的净荷（即数据部分）加密，其核心部分是数据流密码机E0，它包括净荷密钥生成器、密钥流生成器和加/解密模块。由于密钥长度从8比特到128比特不等，信息交互双方必须通过协商确定密钥长度。

蓝牙标准定义了多种加密模式，以适应不同的安全需求：

加密模式1：不对任何数据流进行加密加密模式2：广播数据流不加密，点对点数据流用临时密钥Kmaster进行加密加密模式3：所有数据流均用临时密钥Kmaster进行加密

设备认证机制

认证是蓝牙安全的核心环节，采用”口令-应答”方式。两个设备第一次通信时，借助”结对”（pairing）初始化过程生成一个共用的链路密钥。

蓝牙技术的认证与加密服务由连接层提供。在连接过程中，可能需要一次或两次认证，或者无需认证。认证对任何一个蓝牙系统都是重要的组成部分，它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备。

为防止非授权用户的攻击，蓝牙标准规定，如果认证失败，蓝牙设备会推迟一段时间重新请求认证，每增加一次认证请求，推迟时间就会增加一倍，直到推迟时间达到最大值。这种机制有效防止了暴力破解攻击。

低功耗蓝牙（BLE）的安全管理

对于低功耗蓝牙，安全管理协议（Security Manager Protocol, SMP）作为GAP模块的一部分实现。SMP用于生成加密密钥和身份密钥，定义设备配对和密钥分发协议，并确保协议栈中的设备可以安全地进行通信。

低功耗蓝牙的加密可通过两种方式实现：

初始加密（未绑定）：当两个低功耗蓝牙设备之间未进行过绑定时，加密将在配对过程中进行重连接加密（已绑定）：如果两个低功耗蓝牙设备已经绑定，则可使用之前交换的密钥进行加密

配对（Pairing）是指两个设备同意双方建立一定级别的安全性连接；而绑定（Bonding）则是至少有一台设备向另一台设备发送安全相关信息（例如长期密钥（LTK）、连接签名解析密钥（CSRK）或身份解析密钥（IRK）），以供将来连接时使用。

常见蓝牙安全威胁与防护措施

主要攻击类型与风险

蓝牙技术面临多种安全威胁，主要包括：

非法窃听：入侵者通过对无线信道的监听来获取传输的信息。虽然蓝牙采用较低的发射功率，标准通信距离仅有十米，这在一定程度上保证了网络的可靠性，但Class 3电波可以把蓝牙的接收距离增强到100米，增加了窃听风险。

非授权访问：入侵者伪装成合法用户来访问网络资源，以期达到破坏目的。

服务拒绝：入侵者通过某些手段使合法用户无法获得其应有的网络服务。

耗能攻击：也称为能源消耗攻击，目的是破坏节能机制，如不停地发送连接请求，使设备无法进入节能模式，最终消耗设备能量。

特定蓝牙攻击：

Bluebugging：设备劫持和控制Bluesnarfing：数据盗窃Bluejacking：发送不需要的消息或文件

蓝牙安全最弱的一个环节是在装置的配对联机（pairing）上。在配对过程中，黑客有可能会猜中过于简短的PIN，进而得知连结锁钥，并窃听一切对话，或者是捏造一个装置添加到配对中。

全面防护策略

针对上述威胁，我们可以采取以下有效措施来增强蓝牙安全性：

关闭不使用的蓝牙连接：为了降低通过蓝牙被黑客攻击的风险，请在不使用设备时务必关闭蓝牙。保持蓝牙开启会形成开放连接，使设备容易受到检测和网络攻击。

定期更新设备：为了保护设备免受蓝牙安全威胁，请保持设备的操作系统和软件为最新版本。这些更新不仅可以提升性能，还包含重要的安全补丁，可以修复黑客可能利用的漏洞。

设置”不可检测”模式：当未配对或使用蓝牙连接时，将设备的可见性设置为”不可见”（或隐藏模式）。当设备处于可发现模式时，它会持续广播信号，以便周围的设备能够找到并连接它，这增加了黑客扫描和攻击未修补安全漏洞的风险。

仅与已知设备配对：不要接受来自陌生、未知或不需要的设备的蓝牙配对请求，尤其是在咖啡馆、机场、购物中心或拥挤区域等公共场所，以避免入侵、窃听或数据盗窃的风险。

启用设备安全功能：在设备设置中启用安全功能，例如蓝牙隐身模式（未知设备不可见）、配对时要求身份验证以及仅允许连接到已验证或受信任的设备列表，以防止未经授权的访问并保护个人数据。

使用安全软件：在设备上安装并使用可靠的安全软件，以扫描、检测和阻止与蓝牙相关的威胁，包括恶意软件、蓝牙蠕虫和黑客攻击。

升级到最新的蓝牙版本：通过定期更新设备的操作系统和固件，确保设备始终使用最新的蓝牙版本。新的蓝牙版本不仅提供更佳的连接性能，还包含高级安全功能和关键补丁。

替换默认PIN码：将设备上的默认PIN码替换为一个强而独特的PIN码，该PIN码至少包含6位数字或字母和数字的组合。避免使用容易猜到的数字，如”123456″或”000000″，并定期更改PIN。

蓝牙密钥管理与分发策略

密钥类型与管理框架

蓝牙系统使用多种密钥来确保安全传输，其中最重要的密钥是用于两个蓝牙设备之间鉴权的链路密钥。加密密钥可以由链路密钥推算出来，这将确保数据包的安全，而且每次传输都会重新生成。

链路密钥有四种可能类型，所有链路密钥都是128位的随机数，它们或者是临时的或者是半永久性的：

单元密钥：由单个设备生成并使用的密钥联合密钥：由两个设备共同生成的密钥主密钥：用于临时连接的临时密钥初始化密钥：用于保护初始化过程的密钥

加密密钥与鉴权密钥分离是一个重要设计，这样可以使用较短的加密密钥而不减弱鉴权过程的安全性。

配对与密钥生成过程

蓝牙安全码通常称为PIN（个人识别号码），是一个由用户选择或固定的数字，长度可以为16个字节，通常采用四位十进制数。PIN是唯一的可信的用于生成密钥的数据，典型情况是四位十进制PIN码与其他变量结合生成链路密钥和加密密钥。

配对过程的具体步骤包括：

根据用户输入的PIN生成一个共用随机数作为初始化密钥，此密钥只用一次，然后即被丢弃。在整个鉴权过程中，始终检查PIN是否与结对设备相符。生成一个普通的128位随机数链路密钥，暂时储存在结对的设备中。只要该链路密钥储存在双方设备中，就不再需要重复结对过程，只需实现鉴权过程。

针对密钥管理的安全增强

传统的蓝牙密钥管理存在一些安全隐患。例如，单元密钥具有安全脆弱性，针对这一问题，有研究提出了蓝牙单元密钥全生命周期的安全增强方案，主设备根据单元密钥更新算法更新单元密钥，在不增加存储开销的前提下，能够有效抵抗针对蓝牙单元密钥的攻击。

针对蓝牙简单配对协议存在的安全缺陷，可以设计基于LUC密钥共识的公钥交换，并结合匹克网主时钟和设备地址信息增强认证阶段一的安全性，从而得到安全增强的简单配对协议。

蓝牙安全最佳实践与未来趋势

企业与个人防护建议

要全面保护蓝牙设备安全，除了前述措施外，还需注意以下方面：

注意异常迹象：仔细查看设备上的异常迹象，例如性能突然变慢、电池消耗异常快、蓝牙连接无缘无故自动打开、奇怪的配对提示或通知，或安装了未知的应用程序。这可能表明设备正在遭受黑客攻击或感染恶意软件。

仅安装可信应用：为确保安全，请仅从官方来源（例如Google Play商店、Apple App Store或信誉良好的开发者网站）下载和安装应用。安装前，检查应用的评论、用户反馈以及应用所需的权限。

限制对设备设置的访问：通过设置强密码、使用生物识别身份验证（指纹、面部识别）或PIN来限制对重要设备设置的访问，以防止未经授权的访问。

蓝牙认证（BQB认证）：如果产品具有蓝牙功能并且在产品外观上标明蓝牙标志，必须通过BQB认证。这是由蓝牙技术联盟（SIG）制定的强制性认证程序。

蓝牙安全未来发展趋势

蓝牙安全技术仍在不断发展，未来趋势包括：

持续的标准演进：蓝牙技术联盟不断更新蓝牙标准，以应对新出现的安全威胁。新的蓝牙版本不仅提供更佳的连接性能，还包含高级安全功能和关键补丁。

融合高级加密标准：新一代的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）可能被引入蓝牙安全体系中。

针对物联网的优化：随着蓝牙在物联网领域的广泛应用，蓝牙安全机制正朝着更适合物联网设备的方向发展，在保证安全性的同时兼顾低功耗需求。

多层面防御策略：要达到最高的信任要求，应用开发商或IT组织必须在连结层级安全上增加应用安全，以便实现端对端的保护。

结语

蓝牙安全是一个多层次、复杂且不断发展的领域。了解蓝牙加密与认证机制、认识常见安全威胁并采取有效的防护措施、实施健全的密钥管理策略，对于保护个人隐私和设备安全至关重要。随着蓝牙技术的普及和演进，用户、开发者和企业都需要保持警惕，及时更新安全策略，才能在享受蓝牙技术带来便利的同时，确保数据和安全不受威胁。

正如所有系统一样，技术越成熟，使用者与开发人员越多后，漏洞曝光的速度就会越快。因此，除非经过实证，否则不宜用蓝牙进行高度机密资料的传输。通过采取适当的安全措施和保持安全意识，我们可以最大限度地发挥蓝牙技术的优势，同时将潜在风险降至最低。