智能门锁与BLE设备安全Part 1

智能门锁与BLE设备安全Part 1：BLE协议栈与Android BLE接口简介

 

概述

最近受疫情影响，已经在家办公了很长一段时间，正好借此机会把此前的工作进行了一番整理，并挑选出来了一部分可以公开的题材，最终形成了这个专题的文章。

 

在我们的计划中，这个专题有两个主线，分别是：

a. BLE设备安全研究

b. 智能门锁的安全研究

其中，智能门锁是我们的主要研究目标，但由于很多智能门锁在蓝牙BLE这块的设计或多或少地有些小问题，所以我们就将一些BLE设备也单独拿出来，作为另一个线索，用以帮助专题内容的展开叙述。

 

这个系列，我们取名为《胖猴小玩闹》，因为在整个专题中出现的各种案例或者已经修复，或者危害程度不高，所以我们将这些无伤大雅的小打小闹统一称为“小玩闹”。

 

作为这个专题的第一篇文章，我们将这篇中简要叙述一下BLE协议和Android关于BLE相关的接口，这些内容比较倾向于基础知识，在专题后续的文章中有很多处都会用到这些知识点。当然，这里我们只是浅尝辄止地介绍，并不做深刻地讨论，有需要了解更多内容的读者可以参考相关的文档。

 

BLE协议

我们通常所说的蓝牙，即Bluetooth，有两种形式：传统蓝牙BR（Basic Rate）和低功耗蓝牙BLE（Bluetooth Low Energy）。前者的典型使用场景是蓝牙耳机、蓝牙音箱等，而后者的典型使用场景是各种IoT设备，如蓝牙手环等。

蓝牙的数据传输模型如下图2-1所示，分为Physical层、Logical层和L2CAP层：

 

图2-1 蓝牙协议的数据传输模型

 

为了帮助理解，可以类比OSI七层网络协议：数据发送时，高层将数据发送给L2CAP层，并逐层向下流动；数据接收时，设备从Physical层获得数据，并逐层向上流动。对这三层数据传输模型有一些简单的认知，就可以极大的加快我们分析和研究的速度。

 

首先，来关注下L2CAP层。在这一层中，我们需要关注的内容比较少，高层应用中出现的需要发送的BLE数据和需要接收的BLE数据都会直接出现在这一层之中，所以，如果我们能够抓到这一层的通信数据，则意味着我们可以直接抓到高层应用的通信数据，虽然这些数据可能是在应用层中被加密了，但至少这些数据还没有被BLE协议栈加密。这在某种程度上方便了我们的分析。通过wireshark分析L2CAP层的通信数据如下图：

 

图2-2 wireshark分析L2CAP层通信

 

上图中，ATT协议即为运行于L2CAP层之上的通信协议，wireshark可以直接分析出ATT协议中的通信数据。在本专题的后续文章中，我们可以看到抓取未加密的L2CAP层数据用于辅助分析的案例。

 

然后，我们再来关注下Physical层。Physical层定义了3个广播信道和37个数据通信信道。两个BLE设备进行连接时，会随机挑选一个广播信道进行广播，连接建立之后，会在37个通信信道上进行跳频通信。下图展示了某一次通信的流程：

图2-3 某一次BLE通信

 

上图中，BLE通信在0x27信道进行广播，等待BLE双方成功建立连接之后，会在0x5----0xA----0xF----0x14等信道，按照一定规律进行跳频通信。

 

最后，我们再来关注下Logical层。该层中主要完成BLE通信过程中的各种逻辑控制，这么说并不准确，但可以帮助我们理解问题。大多数使用场景中，一次BLE通信过程存在master和slave两方，其中master是主动扫描并发起连接的一方，而slave是不断发送广播并等待连接的一方。在一次通信中，master和slave的状态变化

如下图所示：

图2-4 master和slave的状态变化

 

其中，scanner和advertiser分别表示master和slave的扫描状态和广播状态。建立连接之后，开始跳频通信，并成为最终的master和slave。

 

Android的BLE接口

 

绝大部分IoT设备都需要与Android/IOS手机通信，而BLE显然是一种很常见的通信方式。为此，我们也有必要了解一下Android设备中，关于BLE通信相关的各种API。

 

我们先回忆一下TCP的socket通信。在socket通信中，服务端程序运行于某一IP地址上，并持续监听某一端口(port)。客户端程序选择服务端的IP和port，发起socket连接，经过三次TCP握手之后完成socket连接的建立，此后使用该socket进行通信。蓝牙BLE通信也是如此，首先我们需要扫描周围的蓝牙BLE设备，并选择某个BLE设备。此时，需要用到的API如下：

表3-1 Andorid设备BluetoothLeScanner类中的常用接口

 

扫描并选择完毕之后，我们就需要与之通信。在TCP通信中，发送数据和接收数据常用的函数为：send和recv。而在BLE通信中，我们使用到的API如下表所示：

表3-2 Andorid设备BluetoothGatt类中的常用接口

 

上表中，读者可能对characteristic有些陌生，我们在这里对characteristic有一个简短的说明。每一个BLE设备，都有一个对应的profile，用于对这个设备进行描述。一个profile中包含多个service，这些service就是该设备提供的各种服务。而在一个service中，会有多个characteristic，设备提供的service就是靠这些characteristic来完成的。用一张图片来表示上述文字，如下：

图3-1 BLE profile实例

 

上图中，右侧图片为一个BLE设备的实例，可以看到在图片中有4个service，前两个为Unknown service，后两个分别是Battery Service(电池服务)和Current Time Service(当前时间服务)。而在第二个Unknown service中，有一个Unknown Characteristic。值得一提的是，Service和Characteristic各自拥有一个UUID用于标识，在BluetoothGatt类的相关函数中，就是用这些UUID找到所需的service和characteristic，这就相当于TCP通信中的端口（port）。

 

小结

 

这个系列的第一篇到此就要结束了，在本篇中，我们简要介绍了一下BLE协议栈以及Android BLE的常用API。后续的文章中，就会挑选一些我们遇到的设备，拿过来说一说讲一讲，这些文章都偏向于实战，纯理论的介绍相对会少一些，如果有条件的话，还期待各位读者能跟着我们实际操作一下，以帮助加深印象。

最后，希望大家看完本系列文章能有所收获。

 

 

 

作者：Yimi Hu & Light @ PwnMonkeyLabs