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使用BLE 4.2的系统设计:更快、更安全、更节能-第2部分

作者:时间:2016-11-07来源:网络

  在本系列文章的第一部分,我们讨论了蓝牙()4.2的数据长度扩展(DLE)和。在本文中,我们将讨论蓝牙的隐私保护功能、蓝牙4.2的新增功能以及为何这些变化能够使设备更加保护隐私和节能。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201611/339775.htm

  隐私保护是设备防止被不受信任的设备追踪的能力。BLE设备在广播数据包内使用48比特地址,如果该地址被其他设备解码了,那么根据这个地址就可以跟踪该BLE设备的移动。为了保护BLE设备的隐私,受信任的BLE设备将使用共享密钥“身份解析密钥”(Identity Resolving Key, IRK)的共享密钥。两个具有此共享密钥的BLE设备可以相互识别。一台BLE设备先利用该共享密钥生成一个随机的“可解析私有地址”发送出来,另一台设备则采用同一密钥来解析该私有地址。

  蓝牙设备地址

  蓝牙设备使用48比特的设备地址。设备地址被分类为:

  • 公有设备地址

  • 随机设备地址

  1. 公有设备地址:公有设备地址由每台设备的公司ID和公司分配ID组成,遵循IEEE 802-2001标准。公司ID和公司分配ID值均为24比特,构成总数为48比特的地址,如图1所示。

  图1:公有设备地址

  

 

  2. 随机设备地址:顾名思义,随机设备地址是随机生成的地址。随机设备地址分为两种类型:

  • 静态随机地址

  • 私有随机地址

  2.1 静态随机地址:静态随机地址可以是出厂前在设备上预先设定好的,也可以在每次开关机循环后更改一个新值。然而,只有设备经过一次完整的开关机循环后才可以更改此地址。如果在运行期间更改了该地址,存储在对端设备中的地址将失效,并且将不可再使用旧地址进行重新连接。静态随机地址有以下要求:

  • 两个最高有效位恒为1

  • 所有随机位数值都不能为0

  • 所有随机位数值都不能为1

  图2:静态随机地址

  

 

  私有随机地址分两种类型 - 不可解析私有地址和可解析私有地址。

  2.1.1不可解析的私有地址:不可解析的私有地址随机生成,并且每次连接都会发生变化。不可解析的私有地址有以下要求:

  • 两个最高有效位恒为0

  • 所有随机位数值都不能为0

  • 所有随机位数值都不能为1

  该地址不能和静态地址或公有地址相同。

  2.1.2可解析私有地址(RPA)

  可解析私有地址(RPA)是BLE设备隐私保护的重要支柱。RPA是指使用随机数字和身份解析密钥(IRK)所生成的地址。两个设备在配对期间共享IRK,其存储在设备的内置存储器中。两台配对设备除了共享IRK之外,还共享一个称为身份地址的固定地址。该身份地址可以是公有的或是随机的静态地址类型。因较早进行绑定的设备存有IRK和身份地址,因此能够解析配对设备的私有地址。图3所示为可解析私有地址的格式。

  在RPA中,24比特的Hash是IRK和prand的函数。Prand是24比特的数字,它包含22个随机位数值以及2个固定的最高有效位数值;如图3所示。

  图3:可解析私有地址

  

 

  可解析私有地址的生成:可解析私有地址是与IRK和prand共同生成的。

  Prand是随机生成的,有以下要求:

  • prand的两个最高有效位数值应等于2b01

  • prand的所有位元数值都不能为0

  • prand的所有位元数值都不能为1

  地址中的Hash部分则是利用prand和设备的128位IRK传递到加密函数“e”生成。此加密函数的输出截断为24个最低有效位数值,就是Hash数值。

  Hash=e(IRK,prand *),截断为24位

  *为了使prand的长度与IRK相同,prand增加了104位数值为0的空白位,确保原有的最低有效位保持不变。

  24比特prand和24比特Hash组合生成随机地址。

  可解析私有地址的解析: B设备如果具有A设备的IRK,则可以解析该A设备的可解析私有地址。可解析私有地址有24位的prand和24位的Hash。B设备通过A设备的prand和IRK来解析地址。当B设备接收到A设备的可解析私有地址后,会从该地址提取出Hash和prand,利用其生成本地Hash值。本地Hash的生成方式与在地址生成期间的方式完全相同。

  本地Hash= e(A设备IRK、prand),截断为24位

  如果B设备生成的本地Hash值与从地址中提取的A设备 Hash值匹配,则该地址被成功解析。如果B设备有一个以上对端的IRK,则该设备将为每个存储的IRK重复这一步骤,以确定接收到的可解析私有地址是否与存储的某一个IRK相关,直到IRK中某一个地址匹配成功或者所有地址匹配结束。

  B设备在配对过程中收到对端设备的IRK和身份地址后,会将其与本地IRK一起存储在待解析列表中,用于将来解析私有地址。

  在蓝牙4.1中,该解析列表保存在主机上,由主机完成地址解析,这意味着在每次收到附有可解析私有地址的广播包时,都需要主机参与解析地址。但在蓝牙4.2中,该解析列表保存在控制器中,由控制器解析私有地址,无需主机干预;而如果主机使用单独的CPU控制,则意味着不需要唤醒设备中的主机,从而降低了整体功耗。即使对于使用相同的CPU执行控制器和主机的设备,因为地址不再需要通过不同的协议层,也可以通过减少解析地址所需的CPU循环次数而降低功耗。此外,在没有主机参与的情况下,地址在链路层解析,可提供更快的连接。当在链路层完成地址解析时,Privacy 1.2也被称为链路层(LL)隐私。

  可解析私有地址(RPA)超时

  随机私有地址每隔一段时间自动更新,进一步降低了设备被跟踪的可能性。该时间间隔由主机设置,为RPA超时设置计时。当计时过期时,IRK和新的prand将会生成新的RPA。对于Privacy 1.1,RPA的超时时间固定为15分钟。蓝牙4.2中的Privacy 1.2将最小RPA超时时间减少为1秒,而最大超时时间可以为11.5小时。蓝牙4.2中RPA不断变化,私有设备难以被跟踪,从而提高了隐私性。

  虽然蓝牙4.1和更旧的版本支持可解析私有地址,但由于对连接时间的影响和功耗的影响限制了可用性。在使用RPA时,不能在Privacy1.1中使用诸如设备过滤和定向连接广播这样的功能。

  设备过滤

  设备过滤是指减少其需要响应的同类设备数量,有助于减少功耗。设备在过滤功能启用时需要响应的那些同类设备地址和地址类型,存储在白名单中。该白名单由主机配置并保持在链路层。配置完成后,链路层用其来过滤对等设备。由于在蓝牙4.1中使用RPA时地址只能由主机解析,因此链路层不能过滤该设备。因此,对于蓝牙4.1,当使用RPA时不支持设备过滤。由于设备需响应每个对端设备,因此增加了私有蓝牙4.1设备的功耗。

  在蓝牙4.2中,由于地址解析在链路层完成,即使使用RPA仍然可以过滤设备。现在,不在白名单上的设备不需要主机干预,因此降低了功耗。

  定向连接广播

  该定向连接广播PDU包含传播器的RPA,也包括想要连接至的设备RPA。这使得两个设备之间的连接变得更快。此外,辅助设备不需要与不打算连接的对等设备共享设备的具体详细信息。当基于蓝牙4.1的中央设备使用具备过滤隐私功能的设备时,定向连接广播不可用,因为其不能在链路层解析地址。然而,蓝牙4.2支持在链路层解析地址,因此支持定向广播连接。蓝牙4.2包括附加扫描过滤器政策设置,允许带可解析私有地址的定向广播。在辅助设备采用定向连接广播之前,必须检查对等设备的中央地址解析特性。中央地址解析特性告知设备对等设备是否支持地址解析。

  综上所述,使用可解析私有地址时,BLE设备很难被追踪到;而RPA频繁变换且使用定向广播,则使得跟踪私有蓝牙4.2设备变得更加困难。在链路层的地址解析能够加速连接且降低功耗。此外,在蓝牙4.2中采用RPA时能够进行设备过滤,与使用蓝牙4.1或更旧版本的设备相比,可提高私有设备的功耗利用效率。



关键词: BLE 低功耗

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