1000年才能破譯！藍(lán)牙安全機(jī)制及密鑰改進(jìn)
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藍(lán)牙作為一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它提供低成本、低功耗、近距離的無(wú)線通信，構(gòu)成固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境中的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，使得近距離內(nèi)各種信息設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫資源共享。
由于藍(lán)牙通信標(biāo)準(zhǔn)是以無(wú)線電波作為媒介，第三方可能輕易截獲信息，所以藍(lán)牙技術(shù)必須采取一定的安全保護(hù)機(jī)制，尤其在電子交易應(yīng)用時(shí)。為了提供使用的安全性和信息的可信度，系統(tǒng)必須在應(yīng)用層和鏈路層提供安全措施。
本文重點(diǎn)討論了藍(lán)牙信息安全機(jī)制的構(gòu)成原理及相關(guān)算法，并指出其在安全性方面存在的不足與問(wèn)題。因?yàn)閷?duì)于大多數(shù)需要將保密放在首位來(lái)考慮的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所提供的數(shù)據(jù)安全性是不夠的。藍(lán)牙現(xiàn)行規(guī)范采用的128位密鑰長(zhǎng)度的序列的加密在某些情況下可以被破解。本文同時(shí)提出了一種藍(lán)牙安全機(jī)制的改進(jìn)方案，即采用DES加密體制構(gòu)建強(qiáng)健的加鑰算法，能夠在計(jì)算上證明此加密算法是安全可靠的。 
1 藍(lán)牙的安全機(jī)制
藍(lán)牙采取的安全機(jī)制適用于對(duì)等通信情況，即雙方以相同方式實(shí)現(xiàn)認(rèn)證與加密規(guī)程。鏈路層使用4個(gè)實(shí)體提供安全性：一個(gè)公開(kāi)的藍(lán)牙設(shè)備地址，長(zhǎng)度為48bit；認(rèn)證密鑰，長(zhǎng)度為128bit；加密密鑰，長(zhǎng)度為8～128bit；隨機(jī)數(shù)，長(zhǎng)度為128bit。以下重點(diǎn)討論藍(lán)牙安全機(jī)制的組成及相關(guān)算法。
1．1 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器
隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中有重要應(yīng)用，例如在生成認(rèn)證密鑰和加密密鑰中以及查詢-應(yīng)答方案中等。產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的理想方法是使用具有隨機(jī)物理特性的真實(shí)隨機(jī)數(shù)·發(fā)生器，例如某些電子器件的熱噪聲等，但是在實(shí)際應(yīng)用中通常利用基于軟件實(shí)現(xiàn)的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。藍(lán)牙系統(tǒng)對(duì)于隨機(jī)數(shù)的要求是“隨機(jī)生成”和“非重復(fù)性”?！半S機(jī)生成”是指不可能以明顯大于零的概率(對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)位的藍(lán)牙加密密鑰，概率大于1／2L)估計(jì)出隨機(jī)數(shù)值。
目前在眾多類型的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器中，線性同余發(fā)生器(Linear Congruential Generator)被最廣泛地研究與使用。其表達(dá)式為：
Xn+1=αXn+c(modm) n≥0。
式中α和c為常量，m為模數(shù)，均為正整數(shù)。αXn+c對(duì)m作模運(yùn)算后得到Xn+1。開(kāi)始時(shí)以某種方式給出一個(gè)種子數(shù)X0；然后使用前一個(gè)隨機(jī)整數(shù)Xn生成下一個(gè)隨機(jī)整數(shù)Xn+1，由此產(chǎn)生整數(shù)隨機(jī)數(shù)列{Xn}。
1．2 密鑰管理
藍(lán)牙單元密鑰長(zhǎng)度不能由單元制造者預(yù)置，不能由用戶設(shè)置。藍(lán)牙基帶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不接收由高層軟件給出的加密密鑰以防止使用者完全控制密鑰長(zhǎng)度。 
1．2．1 密鑰類型
鏈路密鑰是一個(gè)128位隨機(jī)數(shù)，為通信雙方或多方共享的臨時(shí)性或半永久性密鑰。半永久性鏈路密鑰可以用于共享鏈路單元之間的幾個(gè)相繼認(rèn)證過(guò)程中。臨時(shí)密鑰的典型應(yīng)用是：在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信情況下，同一信息需要安全地發(fā)往多個(gè)接收端，這時(shí)采用主單元密鑰取代當(dāng)前鏈路密鑰。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)定義了四種鏈路密鑰：①聯(lián)合密鑰KAB；②單元密鑰KA；③臨時(shí)密鑰Kmoster；④初始化密鑰Kinit。此外還定義了加密密鑰Kc，由當(dāng)前鏈路密鑰生成。對(duì)藍(lán)牙單元來(lái)說(shuō)，單元密鑰KA在單元A中生成，依賴于該單元，很少改變。聯(lián)合密鑰KAB。由單元A、B方共同生成。臨時(shí)密鑰Kmoster僅在當(dāng)前會(huì)話中使用，也稱主單元密鑰。初始化密鑰Kinit是藍(lán)牙初始化過(guò)程中使用的鏈路密鑰。該密鑰由一個(gè)隨機(jī)數(shù)、一個(gè)通常為十進(jìn)制的PIN碼以及發(fā)起單元的藍(lán)牙設(shè)備地址BD_ADDR生成。PIN碼可由用戶選擇也可以是隨藍(lán)牙一起提供的固定數(shù)。目前大多數(shù)應(yīng)用中PIN碼為4位的10進(jìn)制數(shù)，無(wú)法提供較高的安全性。藍(lán)牙基帶標(biāo)準(zhǔn)要求PIN碼長(zhǎng)度為1～16位，因此建議盡量使用較長(zhǎng)的PIN碼以增強(qiáng)安全性。
1．2．2 密鑰生成與初始化
每一對(duì)要實(shí)現(xiàn)認(rèn)證與加密的藍(lán)牙單元都要執(zhí)行初始化過(guò)程，其過(guò)程由以下幾部分組成：
(1)生成初始化密鑰Kinit:為初始化過(guò)程中臨時(shí)使用的鏈路密鑰。該密鑰由E22算法及相關(guān)參數(shù)生成，其生成原理圖見(jiàn)圖1。E22輸出的128位初始化密鑰Kinit用于鏈路密鑰的交換分配過(guò)程。如果申請(qǐng)者與證實(shí)者沒(méi)有交換過(guò)鏈路密鑰，則Kinit用于認(rèn)證過(guò)程，否則不再使用。該過(guò)程必須保證能夠抵御一定的攻擊，例如攻擊者使用大量的假藍(lán)牙地址BD_ADDR來(lái)測(cè)試大量PIN等，如果設(shè)備地址固定則每次測(cè)試PIN碼等待間隔應(yīng)按指數(shù)增加。
(2)認(rèn)證：如果兩個(gè)單元沒(méi)有發(fā)生過(guò)通信聯(lián)系，則使用初始化密鑰作為鏈路密鑰。每次執(zhí)行認(rèn)證規(guī)程，均發(fā)布新隨機(jī)參數(shù)AU_RANDA。在相互認(rèn)證中，首先在一個(gè)方向執(zhí)行認(rèn)證規(guī)程，成功后再反向執(zhí)行認(rèn)證。認(rèn)證成功將得到一個(gè)輔助參數(shù)ACO，即認(rèn)證加密偏移量。它將用于生成加密密鑰。
(3)生成單元密鑰：?jiǎn)卧荑€在藍(lán)牙單元首次運(yùn)行時(shí)生成，根據(jù)E21算法生成并幾乎不改變。初始化時(shí)，通信雙方通常選用一個(gè)內(nèi)存容量較少的單元中的密鑰作為鏈路密鑰。 
(4)生成聯(lián)合密鑰：聯(lián)合密鑰是分別在A單元與B單元中生成的兩個(gè)數(shù)字的組合。生成過(guò)程是：每個(gè)單元生成隨機(jī)數(shù)LK_RANDA與Lk_RANDB，采用E21算法與各自的隨機(jī)數(shù)、藍(lán)牙地址分別生成另一個(gè)隨機(jī)數(shù)LK_KA與LK_KB，并通過(guò)其他操作后兩個(gè)單元得出聯(lián)合密鑰。然后開(kāi)始互相認(rèn)證過(guò)程以確認(rèn)交互過(guò)程成功。聯(lián)合密鑰交換分配成功后將放棄使用原鏈路密鑰。
(5)生成加密密鑰：加密密鑰Kc根據(jù)E3算法，由當(dāng)前鏈路密鑰、96bit“加密偏移數(shù)”COF和一個(gè)128bit隨機(jī)數(shù)導(dǎo)出。
(6)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)配置情況：實(shí)際上，主單元通知幾個(gè)從單元使用一個(gè)公共鏈路密鑰廣播加密消息，在多數(shù)應(yīng)用中這個(gè)公共鏈路密鑰是臨時(shí)密鑰，記為Kmoster。Kmoster被從單元接收后便可用它替代原鏈路密鑰Kmoster的產(chǎn)生過(guò)程為：首先由2個(gè)128bit的隨機(jī)數(shù)RAND1與RAND2生成新鏈路密鑰Kmoster：Kmoster=E22(RAND1，RAND2，16)。然后將第3個(gè)隨機(jī)數(shù)RANO發(fā)往從單元，主、從單元根據(jù)E22、當(dāng)前鏈路密鑰及RAND計(jì)算出128bit擾亂碼overlay，主單元將overlay與新鏈路密鑰按位“異或”結(jié)果發(fā)送給從單元，再計(jì)算出Kmoster。在后面的認(rèn)證過(guò)程中計(jì)算出一個(gè)新ACO值。
1．3 加密規(guī)程
對(duì)有效載荷加密通過(guò)流密碼算法實(shí)現(xiàn)，流密碼與有效載荷同步，加密原理圖如圖2所示。流密碼系統(tǒng)由三部分組成：執(zhí)行初始化、生成密鑰流比特、執(zhí)行加密或解密。有效載荷密鑰生成器將輸入比特流以恰當(dāng)順序進(jìn)行組合并移人密鑰流生成器使用的4個(gè)線性反饋移位寄存器LFSR。第二部分是主要部分，密鑰流比特根據(jù)Massey與Rueppel提出的方法生成，該方法經(jīng)過(guò)一定的分析與研究，證明具有較高的加密性能，但此法可能受到相關(guān)攻擊，其改進(jìn)方法在本文后面詳細(xì)描述。
1．3．1 商定加密密鑰長(zhǎng)度與加密模式
實(shí)現(xiàn)基帶標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙設(shè)備需要定義最大允許密鑰字節(jié)長(zhǎng)度Lmax，1≤Lmax≤16。在生成加密密鑰前，有關(guān)單元必須商定密鑰實(shí)際長(zhǎng)度。主單元將建議值L(M)sug發(fā)送給從單元。如果L(S)min≤L(M)min并且從單元支持建議值，從單元對(duì)此給予確認(rèn)，L(M)min成為本鏈路加密密鑰長(zhǎng)度值。如果不滿足上述條件，從單元將向主單元發(fā)送新的建議值L(S)min〈L(M)sug，主單元對(duì)此建議評(píng)估。重復(fù)此規(guī)程直至達(dá)成協(xié)議或一方放棄商談。
1．3.2 加密算法
加密規(guī)程使用流密碼加密。加密系統(tǒng)使用線性反饋移位寄存器(LFSRs)，寄存器系統(tǒng)輸出由具有16狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行組合，狀態(tài)機(jī)輸出或是密鑰流序列，或是初始化階段的隨機(jī)初始值。加密算法需要提供加密密鑰、48bit藍(lán)牙地址、主單元時(shí)鐘比特與128bit隨機(jī)數(shù)RAND，加密算法原理如圖3所示。
其中，有4個(gè)LFSR(LFSR1，…，LFSR4)，比特長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=25，L2=31，L3=33，L4=39，反饋多項(xiàng)式(抽頭多項(xiàng)式，特征多項(xiàng)式)。4個(gè)寄存器長(zhǎng)度之和是128bit。
這些多項(xiàng)式都是本原多項(xiàng)式，漢明重量都為5，可以兼顧生成序列具有良好的統(tǒng)計(jì)特性與減少硬件實(shí)現(xiàn)所需要的異或門數(shù)兩方面的要求。
令xit表示LFSRit時(shí)刻輸出狀態(tài)比特，由四元組(x1t，…，x4t)得Yt為： 
，式中Yt為整數(shù)，取值為0，1，2，3或4。加法生成器輸出由下述方程給出： 
式中，T1［.］與T2［.］是GF(4)上兩個(gè)不同的線性雙射。
密鑰流生成器工作前需要為4個(gè)LFSR(總共128bit)裝載初始值并且確定C0與C-14bit值，這些132bit初始值使用密鑰流生成器由規(guī)定的輸入量導(dǎo)出，輸入量分別為密鑰Kc、48bit藍(lán)牙地址和26bit主單元時(shí)鐘CLK26-1。加密算法初始化過(guò)程：(1)由128bit加密密鑰Kc生成有效加密密鑰，記為K＇c，令L(1≤L≤16)為用8bit組數(shù)目表示的有效密鑰長(zhǎng)度，則K＇c(x)=g2(L)(x)(Kc(x)modg1(L)(x))。(2)將K＇c、藍(lán)牙地址、時(shí)鐘以及6bit常數(shù)111001移入LFSR。加密算法初始化完成后，從加法組合器輸出密鑰流用于加密／解密。
1．3．2 認(rèn)證
藍(lán)牙技術(shù)認(rèn)證實(shí)體使用所謂查驗(yàn)-應(yīng)答方案。通過(guò)“兩步”協(xié)議，申請(qǐng)者是否知道秘密密鑰使用對(duì)稱密鑰進(jìn)行證實(shí)。這意味著，一個(gè)正確的申請(qǐng)者／證實(shí)者對(duì)，在查驗(yàn)-應(yīng)答方案中將共享相同密鑰Kc，證實(shí)者對(duì)于申請(qǐng)者是否能夠認(rèn)證算法K1認(rèn)證隨機(jī)數(shù)AU_RANDA，并返回認(rèn)證結(jié)果SERS，進(jìn)行查驗(yàn)。其認(rèn)證及加密密鑰生成函數(shù)可以參考相關(guān)資料，此處略。
2 藍(lán)牙安全機(jī)制的方案改進(jìn)
現(xiàn)有藍(lán)牙安全機(jī)制主要存在兩個(gè)主要問(wèn)題。一個(gè)是單元密鑰的使用問(wèn)題：在鑒權(quán)和加密過(guò)程中，由于單元密鑰沒(méi)有改變，第三方利用此密鑰來(lái)竊取信息。128位密鑰長(zhǎng)度的E0序列加密在某些情況下可通過(guò)不是很復(fù)雜的方法破解。另一個(gè)是藍(lán)牙單元提供的個(gè)人識(shí)別碼(PIN碼)的不安全問(wèn)題：由于大多數(shù)應(yīng)用中PIN碼是由4位十進(jìn)制數(shù)組成，所以采用窮舉法很容易攻擊成功。
克服這些安全性問(wèn)題的解決方法除了增加PIN碼長(zhǎng)度外，關(guān)鍵是要采取更為強(qiáng)健的加密算法，如用數(shù)字加密標(biāo)準(zhǔn)DES代替序列加密算法。DES是一種塊加密方法，加密過(guò)程是針對(duì)一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行的。在DES算法中，原始信息被分為64位的固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)塊，然后利用56位的加密密鑰通過(guò)置換和組合方法生成64位的加密信息。與藍(lán)牙序列的加密算法不同，數(shù)學(xué)上可以證明塊加密算法是完全安全的。DES塊密碼是高度隨機(jī)和非線性的，其產(chǎn)生的密文和明文與密鑰的每一位都相關(guān)。DES的可用加密密鑰數(shù)量非常龐大，應(yīng)用于每一位明文信息的密鑰都是從這個(gè)龐大數(shù)量的密鑰中隨機(jī)產(chǎn)生的。DES算法已經(jīng)被廣泛采用并認(rèn)為非常可靠。采用DES加密算法的藍(lán)牙技術(shù)可以將藍(lán)牙應(yīng)用到安全性較高的應(yīng)用中去，例如電子金融交易、ATM等。
2．1 DES算法
1977年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局公布了聯(lián)邦數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES。由于DES算法保密性強(qiáng)，迄今尚無(wú)切實(shí)可行的破譯方法，所以DES得到了廣泛地應(yīng)用。DES是一種分組密碼體制，它將明文按64位一組分成若干組，密鑰長(zhǎng)為56位。其基本思想是采用變換的組合與迭代，將明文中的各組變?yōu)槊芪慕M。
在DES系統(tǒng)中，乘積變換是加密過(guò)程的核心，連續(xù)進(jìn)行16次操作，每次更新一組密鑰。移位變換B是移位變換A的逆變換。圖4為DES體制加密流程，圖的右側(cè)表示DES系統(tǒng)的密鑰生成過(guò)程。初始密鑰是一串64bit的隨機(jī)序列。經(jīng)過(guò)反復(fù)移位變換，產(chǎn)生16組子密鑰(K1～K16)，每組子密鑰用于一次乘積變換。所謂初始重排(IP)就是打亂輸入分組內(nèi)比特原有排列次序，重新排列，排列方式是固定的。
DES的一次乘積變換運(yùn)算步驟為：(1)把64bit輸入碼分成左右兩組，每組32位比特，分別用Li-1和Ri-1代表。其中i代表第i次乘積變換，i=1～16。(2)把該次乘積變換輸入分組的右組32位比特變?yōu)檩敵龇纸M的左組32位比特，即Li=Ri-1。(3)輸入分組右組32位比特經(jīng)過(guò)擴(kuò)展操作變?yōu)?8位比特碼組。(4)擴(kuò)展變換輸出的48位比特與子密鑰Ki的48位比特按模2相加，輸出的48位比特分為8組，每組6位。(5)把每組6位比特進(jìn)行密表(S-盒)替代，產(chǎn)生4位比特。輸入的6位比特的第1、6兩位決定密表內(nèi)所要選擇的行數(shù)，其余4位決定密表內(nèi)的列數(shù)。(6)把8組密表輸出合并為32位比特，然后與本次乘積變換輸入左組Ci-1按位模2相加，即可得到第i次乘積變換的右32位輸出Ri。 
2．2 DES算法的特點(diǎn)
DES算法具有以下特點(diǎn)：
(1)DES的保密性僅僅取決于對(duì)密鑰的保密，算法公開(kāi)。
(2)在目前水平下，不知道密鑰而在一定的時(shí)間內(nèi)要破譯(即解析出密鑰K或明文)是不可能的，至少要建立2 56或2 64個(gè)項(xiàng)的表，這是現(xiàn)有資源無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
(3)由于“雪崩效應(yīng)”，無(wú)法分而破之，一位的變化將引起若干位同時(shí)變化。
綜上所述，由DES算法構(gòu)建的藍(lán)牙安全機(jī)制是可靠的，采用窮舉方式攻擊是不現(xiàn)實(shí)的。假設(shè)有一臺(tái)每秒完成一次DES加密的機(jī)器要用將近1000年的時(shí)間才能破譯這個(gè)密碼。
以上算法能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)加密過(guò)程中與藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)所需參數(shù)的一致性，它與藍(lán)牙算法產(chǎn)生的單元密鑰在時(shí)間實(shí)現(xiàn)上同處一個(gè)數(shù)量級(jí)別，符合藍(lán)牙規(guī)范要求。
本文首先重點(diǎn)討論了藍(lán)牙信息安全的機(jī)制構(gòu)成，對(duì)其各部分的算法及實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。然后對(duì)現(xiàn)有藍(lán)牙規(guī)范安全性做了一定的評(píng)估，
并根據(jù)其不足提出了由DES算法構(gòu)建新的安全方案，能夠給藍(lán)牙在安全性要求較高的應(yīng)用上提供一個(gè)安全設(shè)計(jì)的改進(jìn)參考。
評(píng)論