【蓝牙系列】蓝牙5.4到底更新了什么（2）

【蓝牙系列】蓝牙5.4到底更新了什么（2）

一、 背景

  上一篇文章讲了蓝牙5.4的PAwR特征，非常适合应用在电子货架标签（ESL）领域， 但是实际应用场景中看，只有PAwR特性是不够的，如何保证广播数据的安全性，如何动态调节广播的编码方式以达到最优的功耗。 这就需要用到本章需要介绍的蓝牙5.4的几个新特性。

下面再回顾下蓝牙5.4的几个新特性：

• 支持带响应的周期性广播（PAwR）

​ PAwR是一个新的BLE逻辑传输层，是一种支持无连接的、双向的、一对多的、一种低功耗拓扑技术。

• 支持加密的广播数据（EAD）

  该特性提供了一种标准化的方法来加密广播包中的数据，加密后的广播数据只能被拥有相同密钥的设备解密。 当然广播包的加密是需要两个设备建立gatt连接之后，才会生成加密广播包的密钥。

• LE GATT 安全级别特征

  设备现在可以使用GATT 安全级别特性来表示设备的安全模式和安全等级

• 动态广播编码选择（CSSA ）

  当发送BLE扩展广播的时候，现在可以选择使用哪种Codec编码方式来发送。

  上一篇文章已经介绍PAwR特性，没有看过的朋友，建议先看看上一篇文章。 本章主要介绍支持加密的广播数据（EAD）、LE GATT 安全级别特征、广播编码选择这三个特性。

二、 加密广播（EAD）

1. 加密广播背景

  蓝牙设备经常使用广播、扫描响应包或者经典蓝牙EIR包来发送应用数据，所以对广播数据进行加密是很有必要的。蓝牙5.4之前并没有一个明确的标准来满足这部分的需求，基于连接的加密和认证流程在蓝牙中是有规定的，但是这种基于广播的无连接的加密和认证之前是没有做规定的。

  加密是通过算法将未认证的第三方数据转化成固定编码的不可直接解析的密文。 通过加密可以防止窃听者攻击。

  加密算法使用一个或多个密钥来加解密数据。一些算法还会是用到一个初始的IV值作为输入，这个IV 值通常被称为密钥的材料。 加密的数据应该包含这个密钥材料，这样接收方才可以正常的解密该数据。密钥材料的共享需要安全地完成，这样才能保证未经授权的设备不能获取到。

  CCM是CBC‑MAC块密码模式的计数器。它与 128 位块密码（如 AES）一起使用来加密和验证消息。身份验证是通过包含一个计算出的消息认证码 (MAC) 来实现的，蓝牙核心规范将其称为 MIC（消息完整性检查）。

2. 加密广播介绍

2.1 加密广播优势

  加密广播特性提供了一种标准化的、普遍适用的机制，用于广播包、扫描响应包和 EIR 数据包中传输加密数据，并安全地共享相关的加密密钥材料。这意味着无连接通信现在可以用作一对多或一对一拓扑中的安全应用程序数据传输机制。

2.2 技术实现

  下面介绍的加密广播的特性的实现是基于 BLE上的广播通道的 ， 经典蓝牙也是类似的，具体可以参考蓝牙核心规范，里面有详细介绍。

2.2.1 共享密钥材料

  共享密钥材料的传输需要广播方设备，可以接收连接请求命令，并且建立GATT连接。 广播方扮演GAP外围设备角色，并且该设备的GATT服务中需要包含GAP服务。

  现在蓝牙5.4规定了一个新的特征称为 Encrypted Data Key Material ， 新特性为加密广播数据的接收者共享密钥材料提供了基础。

  加密数据密钥材料特征包含一个 24 字节的值，该值由 16 字节的会话密钥和 8 字节的 IV 值组成。 GATT 客户端只能通过加密和验证的GATT连接读取该值；因此，广播设备和所有打算成为加密广播数据接收者的设备必须已经配对。不允许写入特性。该特性还可以支持 GATT 指示，但只能通过安全链接。

  当外围设备与中央设备建立连接后，当设备的密钥材料产生变化的时候，外围设备可以使用GATT指示命令，来通知中央设备。

  如果设备需要容纳多个加密密钥材料值，加密数据密钥材料特性可以不用包含在GAP服务中，可以直接包含在自定义的服务中。

2.2.2 广播数据的加密

  任何要安全传输的数据都必须首先封装在适当的 AD 结构中。 支持加密多个 AD 结构，这是通过首先将需要加密的 AD 结构集合连接成一系列 AD 结构来实现的。加密的正是这个一个或多个 AD 结构的序列。

2.2.3 加密数据的传输

  蓝牙5.4为加密广播新增加了一个广播类型，可以用来通过加密需要保护的数据，一个广播包中可以有一个或多个 加密类型的数据。
  加密数据 AD 类型随后包含在适当的数据包中。那些已加密的 AD 类型不以其原始纯文本形式包含在这些数据包中。其他未加密的 AD 类型可能包含在包含加密数据 AD 类型的数据包中。

  除了密文有效载荷外，加密数据 AD 结构的数据字段还包含一个 40 位随机化器字段和一个 32 位消息完整性检查(MIC)。下图显示了一个示例广播负载，其中包含两种已加密并封装在加密数据 AD 类型中的 AD 类型（ESL 和本地名称）和一种未加密的 AD 类型（标志）。

  Randomizer 字段包含一个 5 字节的随机数，该随机数是根据蓝牙核心规范中规定的随机数要求生成的。每次有效载荷值发生变化时，都必须生成一个新的随机发生器值。 Randomizer值用于制定CCM 算法所需的随机数。

  假设使用的是随机设备地址，只要设备更改其地址，Randomizer 字段也必须更改。这会导致广播数据包的内容在设备地址更改时更改，从而降低窃听者跟踪设备的能力。

  使用加密广播数据功能的配置文件负责定义如何预共享由会话密钥和 IV 组成的加密密钥材料。如前所述，加密数据密钥材料特性是为此目的提供的，它可以包含在通用访问配置文件 GATT 服务中，也可以包含在某些其他服务中，具体取决于其他与配置文件相关的考虑因素，例如设备角色。

三、 LE GATT 安全等级特征

1. GATT相关基础介绍

  通用属性配置文件 (GATT) 提供了一种方法，通过该方法可以在由 GATT 服务、特性和描述符组成的结构中表示设备数据和功能。 GATT服务、特征、描述符，这三个类型每个都是一个属性（attribute），属性是在属性表中宏定义的，属性表中的每一个属性都有一个唯一的标识符，这个标识符称为句柄（handle）。

  设备使用称为属性协议 (ATT) 访问对端蓝牙设备属性表中的属性，遵循各种 GATT 程序定义的规则，例如特征值读取和特征值写入。

  GATT 定义了两个角色，GATT客户端和GATT服务端。 GATT 客户端向 GATT 服务器发送 ATT 命令，命令分为需要响应的和不需要响应的。 GATT 服务器接受并处理从 GATT 客户端接收到的命令和请求。 GATT 服务器也可以向 GATT 客户端发送各种类型的 ATT PDU，命令包括通知和指示，通知是不需要响应的，指示是需要响应确认的。

  属性表中的每个属性都包含一组属性权限。属性权限定义了客户端对该属性的访问类型（例如，读特征值的能力）以及在授予该访问权限之前可能需要条件。例如，一个属性的权限可能表明客户端可以读取它的值，但只能通过经过身份验证和加密的链接。属性权限也适用于ATT 服务器及其使用通知和指示与客户端的通信 。

  ATT PDU 通过GATT连接传输的。通常在建立连接后，GATT 客户端会先执行服务发现流程，来发现涉及服务、特征和描述符及其相关属性（例如句柄值、类型和权限），来确定设备属性表的内容。需要注意的是，属性权限不限制客户端执行发现过程的能力。

  如果客户端尝试访问某个属性，但不满足相关属性权限的条件，则属性协议定义了几个要返回的错误代码，以向客户端设备指示访问请求被拒绝以及拒绝的原因。示例包括加密不足、身份验证不足和加密密钥大小不足

2. GATT 安全和用户体验

  当客户端尝试访问该属性时，会检查该属性的权限。如果不满足属性权限所规定的安全条件，将拒绝客户端访问，并在ATT_ERROR_RSP PDU 中返回包含错误代码的响应 。

  当服务器拒绝访问某个属性时，通常不会直接断开GATT连接。此时，客户端通常会升级安全等级，来达到访问标准。例如，如果尝试读取特征值导致返回加密不足错误，则客户端可能会通过启动配对流程，配对完成后，就可以使用加密链路来访问，只是此时需要用户重发上次访问失败的数据。

  正式由于不满足访问安全权限导致错误，就算客户端升级了安全等级，也会导致用户需要手动重发该数据， 这就非常影响用户的体验，然而，直到 5.3 版的蓝牙核心规范依然没有提供此安全错误处理策略的替代方案 。 当然，这也是蓝牙5.4 支持 GATT安全级别特征的意义所在。

3. 关于 LE Gatt 安全等级特征

  蓝牙核心规范 5.4 版定义了一个称为LE GATT 安全级别特征 (SLC) 的新特征。 SLC 特性允许客户端确定 GATT 服务器安全条件，如果要授予对所有 GATT 功能的访问权限，则必须满足这些条件。更重要的是，它允许在访问GATT 使用的属性之前确定这一点。这种提前检查访问要求可以提供更好的用户体验，因为不会因安全级别问题导致应用程序流临时中断。

3.2.2 技术实现
设备可以在GAP服务中包含 SLC 特性, 客户端在发现服务的时候，发现该特征值后，就会根据该特征值的安全条件，来选择合适的安全级别， 比如发起配对。

BLE的安全配对模式和等级如下：

• 安全模式1

  1. 无安全（不加密 不鉴权）
  2. 加密的不鉴权配对
  3. 加密的鉴权配对
  4. BLE的安全连接， 加密的鉴权配对

• 安全模式2

  1. 带数字签名的不鉴权配对
  2. 带数字签名的鉴权配对

• 安全模式3

  • 无安全（不加密 不鉴权）

  • 使用不鉴权的Broadcast_Code

  • 使用鉴权的Broadcast_Code

  客户端通过读取其值并根据安全级别要求字段指示的值评估当前安全模式和级别来使用 SLC 特性。如果发现当前的安全模式和级别不足以允许服务器支持的所有 GATT 功能，此时客户端应用程序将采取措施来解决这个问题，通常是调用程序来升级链接安全性.

四、 动态广播编码选择（CSSA ）

1. 背景介绍

  蓝牙 LE 物理层定义了三种变体，统称为PHY。这三个 PHY 分别称为 LE 1M、LE 2M 和 LE Coded。

  使用 LE Coded PHY 时，前向纠错 (FEC) 算法和模式映射器将根据配置应用于传输前的有效载荷。这导致附加的纠错数据被包含在传输的数据包中。使用 FEC 算法可以保证在距离发射端比较远的设备也可以正确的接收数据（也就是具有较低的信噪比）。

  Coded PHY 编码有两种方式，根据配置S=2或者S=8，可以控制生成多少纠错数据，以及将通讯距离增加到什么程度。

如下图比较了这三种PHY：

2. 动态广播编码选择介绍

  那蓝牙5.4更新的新特性 动态广播编码选择（CSSA ）跟之前的又有什么区别呢？

  虽然之前Host端已经定义了如何使用HCI接口来发送命令，来改变Control端的编码，但是在蓝牙5.4之前，当扩展广播选择LE CODEC编码的时候，是不能指定S的值是选择2还是选择8， 也不能进行动态的切换。 而蓝牙5.4更改了 HCI 命令，以允许在使用 LE 编码 PHY 时指定 FEC 参数 S 的值 。

HCI命令如下图：

五、 总结

  蓝牙核心规范 5.4 版在 PAwR 中添加了一项重要的全新双向无连接功能，使在广播数据包中安全地广播机密数据成为可能。除了这些相当大的改进之外，使用 GATT 的应用程序现在可以在处理属性安全要求时提供比以前更好的用户体验，并且设备可以在使用LE Coded PHY 进行扩展广播时对重要参数 (S) 进行控制。

  总的来说，蓝牙5.4版本是一次不大不小的更新，这些新的特性，比较明确的应用场景就是电子货架标签，这也是蓝牙技术联盟想要获取的一块市场。 当然这些特性也可以嵌入到其他的蓝牙产品中，来提高产品的用户体验。