【BLE】四.SMP安全配对详解

设备配对流程

SMP专业术语

• Paring（配对）：
  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

• Bonding（绑定）
  配对中会生成一个长期密钥（LTK，long-term Key），双方把LTK存储在Flash，那么这两个设备再次重连就可跳过配对流程，且直接使用LTK对蓝牙连接进行加密；
  不存储LTK（不分发LTK），paring完成后连接也是加密的，但重连需再次进行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，下文就不区分paring和bonding的区别。

• SM（security manager）：
  蓝牙协议栈的安全管理层，包括paring，bonding，以及SMP。

• SMP（security manager protocol）
  安全管理协议，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。

• MITM（man in the middle）：
  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；若需要具备MITM保护能力，通过认证实现，分别为：OOB认证信息，passkey以及numeric comparison。

• OOB（out of band，带外认证）：
  不通过蓝牙射频本身来交互，而是-通过如人眼，NFC，UART等带外方式来交互配对信息。

• Passkey（pin码）：
  用户在键盘中输入的6位数字，以达到认证设备的目的。

• Numeric comparison（数字比较）：
  跟passkey一样，也是用来认证设备的6位数字，显示在显示器上。如下：
  

• IO capabilities（输入输出能力）：
  是否有键盘，是否有显示器。

• IRK（Identity Resolving Key，蓝牙设备地址解析密钥）：
  可解析的随机地址，比如iPhone手机，由于其地址随着时间会变化；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，即IRK可以用来识别蓝牙设备身份；
  IRK一般由设备出厂时按照一定要求自动生成。

• Identity Address（设备唯一地址）：
  包括public，random static， private resolvable，random unresolved共四类；
  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。

• TK（Temporary Key，临时密钥）

• STK（short term key，短期密钥）

• LTK（long term key，长期密钥）

IO能力

配对方式

只要有一端支持OOB，即使用OOB验证配对；只有都不支持才执行中间人（MITM）设置，即看两端是否有其一是支持使用IO功能的，支持就使用IO功能验证配对，如下所示：

IO功能选择

例如手机端作为发起端，一般都是“Keyboard Only”与“KeyBoard Display”，如下所示：

其中的无认证：

示例工程：

SMP相关初始化

• 初始化流程：
  

• 设置安全配置参数：
  

• 服务端GATT回调：
  

• 服务端GAP回调：
  

• 客户端GAP回调：
  

安全配置参数的代码片段

• GATTS：

    /* set the security iocap & auth_req & key size & init key response key parameters to the stack*/
	
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_NO_BOND;			//未启用绑定
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_BOND;				//启用绑定
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_MITM;			//开启MITM保护
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_SC_ONLY;		//未启用绑定的安全连接
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_SC_BOND;		//启用绑定后的安全连接
	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_SC_MITM;		//使用MITM保护和未启用连接的安全连接
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_SC_MITM_BOND;	//安全连接，启用MITM保护和连接
	
//  esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_NONE;           //NoInputNoOutput
	esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_KBDISP;			//Keyboard display
//	esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_IO;				//DisplayYesNo
//	esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_OUT;			//DisplayOnly
//	esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_IN;				//KeyboardOnly

    uint8_t key_size = 16;      //the key size should be 7~16 bytes
    uint8_t init_key = ESP_BLE_ENC_KEY_MASK | ESP_BLE_ID_KEY_MASK;  //即LTK
    uint8_t rsp_key = ESP_BLE_ENC_KEY_MASK | ESP_BLE_ID_KEY_MASK;  //即IRK
    //set static passkey
    uint32_t passkey = 123456;
    uint8_t auth_option = ESP_BLE_ONLY_ACCEPT_SPECIFIED_AUTH_DISABLE;
//	uint8_t auth_option = ESP_BLE_ONLY_ACCEPT_SPECIFIED_AUTH_ENABLE;			//必须绑定才能开启
	
    uint8_t oob_support = ESP_BLE_OOB_DISABLE;			//关闭OOB
//	uint8_t oob_support = ESP_BLE_OOB_ENABLE;			//开启OOB

    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_SET_STATIC_PASSKEY, &passkey, sizeof(uint32_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_AUTHEN_REQ_MODE, &auth_req, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_IOCAP_MODE, &iocap, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_MAX_KEY_SIZE, &key_size, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_ONLY_ACCEPT_SPECIFIED_SEC_AUTH, &auth_option, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_OOB_SUPPORT, &oob_support, sizeof(uint8_t));
    /* If your BLE device acts as a Slave, the init_key means you hope which types of key of the master should distribute to you,
    and the response key means which key you can distribute to the master;
    If your BLE device acts as a master, the response key means you hope which types of key of the slave should distribute to you,
    and the init key means which key you can distribute to the slave. */
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_SET_INIT_KEY, &init_key, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_SET_RSP_KEY, &rsp_key, sizeof(uint8_t));

• GATTC：

    /* set the security iocap & auth_req & key size & init key response key parameters to the stack*/
	
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_NO_BOND;			//未启用绑定
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_BOND;				//启用绑定
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_MITM;			//开启MITM保护
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_SC_ONLY;		//未启用绑定的安全连接
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_SC_BOND;		//启用绑定后的安全连接
	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_SC_MITM;		//使用MITM保护和未启用连接的安全连接
//	esp_ble_auth_req_t auth_req = ESP_LE_AUTH_REQ_SC_MITM_BOND;	//安全连接，启用MITM保护和连接
	
//  esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_NONE;           //NoInputNoOutput
	esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_KBDISP;			//Keyboard display
//	esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_IO;				//DisplayYesNo
//	esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_OUT;			//DisplayOnly
//	esp_ble_io_cap_t iocap = ESP_IO_CAP_IN;				//KeyboardOnly



    uint8_t key_size = 16;      //the key size should be 7~16 bytes
    uint8_t init_key = ESP_BLE_ENC_KEY_MASK | ESP_BLE_ID_KEY_MASK;
    uint8_t rsp_key = ESP_BLE_ENC_KEY_MASK | ESP_BLE_ID_KEY_MASK;
//    uint8_t oob_support = ESP_BLE_OOB_DISABLE;		//关闭OOB
	uint8_t oob_support = ESP_BLE_OOB_ENABLE;			//开启OOB

    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_AUTHEN_REQ_MODE, &auth_req, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_IOCAP_MODE, &iocap, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_MAX_KEY_SIZE, &key_size, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_OOB_SUPPORT, &oob_support, sizeof(uint8_t));
    /* If your BLE device act as a Slave, the init_key means you hope which types of key of the master should distribute to you,
    and the response key means which key you can distribute to the Master;
    If your BLE device act as a master, the response key means you hope which types of key of the slave should distribute to you,
    and the init key means which key you can distribute to the slave. */
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_SET_INIT_KEY, &init_key, sizeof(uint8_t));
    esp_ble_gap_set_security_param(ESP_BLE_SM_SET_RSP_KEY, &rsp_key, sizeof(uint8_t));