做了一遍 BLE_CTF 貌似只是学习了如何是用工具与 ble 设备进行通信，希望扩展一下学些知识
参考：http://doc.iotxx.com/index.php?title=BLE 技术揭秘

角色

低功耗蓝牙设备主要分为两种角色：主机（Central）和从机（Peripheral），主机与从机建立连接之后才能互相收发数据，主机可以发起对从机的扫描（例如手机），从机只能广播并接受主机的链接（例如智能手环）
另外还有观察者和广播者暂不讨论
蓝牙协议栈没有限制设备的角色，一个设备可以是主机也可以是从机（称为主从一体），可以发起连接也可以被别人连接

广播

从机每隔一段时间发送一次广播数据包，时间间隔称为广播间隔，只有从机处于广播状态时主机才能够发现从机
广播包最多能携带 31 字节的数据，一般包含可读的设备名称，设备是否可连接等信息
当主机收到从机广播的数据包后，它可以再发送获取更多数据包的请求，这个时候从机将广播扫描回应数据包，扫描回应数据包和广播包一样，可以携带 31 个字节的数据

扫描

主机通过扫描，可以获得从机的广播包以及扫描回应数据包，可以对已扫描到的从机发起连接请求，从而进行连接并通信

连接

连接的时候采用跳频方案，在特定时间、特定频道上通信
这里解释一下为啥要在没连接的时候开始抓包，因为 CC2540 USB Dongle 只能抓一个信道的数据，BLE 广播的时候在 37，38，39 随机选取一个信道，建立连接时根据一些设定好的参数跳频通信，只要抓到下面说的这个包，就可以跟着跳频通信

跳频算法

在建立连接的这个 ADV_CONNECT_REQ 包里面的 LLData 数据段中，有 ChM 和 Hop，这两个字段，其中 ChM 表示那些频道可用，Hop 表示跳频计算时的一个“参数”
例如我这个

image.png
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1
2
3
4
ChM                    Hop
0c 01 00 00 1f         07

ChM 转为二进制是 00001100 00000001 00000000 00000000 00011111

ChM 二进制从右往左是各个频道的可用状态，1 为可用，0 为不可用
在这里可用频道就有 use=[0,1,2,3,4,24,34,35]，可用频道数量为 8
计算下一次使用频道的公式为 fn+1 = (fn + hop) mod 37，其中第一次 fn 为 0

所以下一次使用的频道是 fn+1=(0+7) mod 37 = 7，但是可用频道列表里面没有 7
就用 use[ 7 mod 可用信道数 ] 即 use[7 mod 8] 即 use[7] = 35 即 0x23
上一次的 fn+1 作为下一次的 fn，再来一遍上面的操作
fn+1 = (7+7) mod 37 = 14，14 不可用，所以 use[14 mod 8] = 34 即 0x22
fn+1 = (14+7) mod 37 = 21，21 不可用，所以 use[21 mod 8]= 24 即 0x18
fn+1 = (21+7) mod 37 = 28，28 不可用，use[28 mod 8] = 4 即 0x4
……
验证一下：

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交换 Feature 和 Version

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LL_Connect_Update_Req

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通信

BLE 协议里引入了服务（Service）和特征值（Characteristic）的概念，每个服务和特征值都有唯一的 UUID，一个从机包含一个或多个服务，每个服务又有一条或多条特征值，每个特征值都有自己的属性（Property），属性有：可读（Read）、可写（Write）、通知（Notify），可读可写表示该特征值可以被主机读写，通知表示从机可以主动向主机发送通知数据

SMP 配对过程分析

协议中其实只有三步：
1、Pairing Feature Exchange（配对特征交换）
2、STK/LTK Generation（短期或长期密钥生成）
3、Transport Specific Key Distribution（密钥分发）

用简单的话来说，配对目的就防止两种攻击：被动监听和 MITM，防止 MITM 需要人机交互操作，所以所有的 JUSTWORK 都没法防止这种攻击。被动监听目前采用非对称加解密方式，即可破解，所以采用 EDCH 的 SSP 以及 LE SECURE CONNECTION 都能防止这种攻击。

作者：城市牧场
链接：https://www.zhihu.com/question/29076831/answer/201659080

配对特征交换

这一步会交换双方的配对能力与认证要求，例如 IO Capability 表示设备有哪些输入输出能力（是否能用键盘或者显示信息啥的）、OOB 表示设备是否可以通过其他方式（比如 NFC、红外）进行认证、MITM 表示设备是否请求中间人身份验证（这样就会需要人工判断信息）还会根据 Secure Connection 选择是使用安全连接（ LE Secure Connections）还是传统配对（LE legacy pairing）

具体来看，IO Capability 表示支持哪些 IO 能力（一个字节）

值 描述
0x00 只能显示
0x01 显示且能输入 YES 还是 NO
0x02 只有键盘
0x03 没有输入输出
0x04 有键盘且能显示
0x05-0xFF 预留

是否支持 OOB，即通过带外通道的方式进行认证，因为对于蓝牙攻击者来说这种方式是不可见的，所以安全些（一个字节）

值 描述
0x00 OOB 数据没有发送
0x01 OOB 数据通过远端设备发送
0x02-0xFF 预留

AuthReq 也是一个字节，但是不同的位有不同的含义，分别是
Reserved、Keypress Flag、Secure Connection Flag、MITM Flag、Bonding Flags

Keypress Flag 仅在 Passkey Entry 协议中使用，当设置为 1 时使用 摁键配对
Secure Connection Flag 如果设备支持 LESC 安全连接配对就设置为 1，否则为 0
MITM 如果设备请求 MITM 保护中间人身份验证，就设置为 1，否则为 0
Bonding Flags 表示设备请求绑定的类型

值 描述
00 不绑定
01 绑定
10 预留
11 预留

关于配对方式的选择

应该是先判断 OOB，如果双方 OOB 均为 1 的话，优先使用 OOB，任何一个没有 OOB 就根据 MITM 判断，如果两个都没有要求 MITM 的话就 JUST WORK 了，如果是任何一个有 MITM 的话就看 IO 能力，画个表格大概是这样的

|
| OOB 为 1 | OOB 为 0 | MITM 为 1 | MITM 为 0 |
| — | — | — | — | — |
| OOB 为 1 | 用 OOB | 看 MITM |

|

|
| OOB 为 0 | 看 MITM | 看 MITM |

|

|
| MITM 为 1 |

|

| 看 IO 能力 | 看 IO 能力 |
| MITM 为 0 |

|

| 看 IO 能力 | JUST WORK |

根据两个设备 IO 能力的不同，有不同的配对方式，知乎上大佬做了个图很清晰（照着大佬的图画个表）

发起者/应答者 只能显示 显示且能输入 YES/NO 只有键盘 无输入输出 键盘和显示
只能显示 just work 或数字比较，工作链路不可靠 just work 或数字比较，工作链路不可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠 just work，工作链路不可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠
显示且能输入 YES/NO just work 或数字比较，工作链路不可靠 just work 或数字比较，工作链路不可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠 just work，工作链路不可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠
只有键盘 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠 输入密码：发起者输入。加密链路可靠 just work，工作链路不可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠
无输入输出 just work，工作链路不可靠 just work，工作链路不可靠 just work，工作链路不可靠 just work，工作链路不可靠 just work，工作链路不可靠
键盘和显示 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠 just work，工作链路不可靠 输入密码：应答者显示，发起者输入。加密链路可靠

双方生成 Key Generation

密钥生成的方式是根据上一步的配对特征确定的
对于 LE legacy Pairing 会生成两个 key：

  • Temporary Key（TK），用于生成 Short Term Key 的临时密钥，也就是我们输入的 PIN 码
  • Short Term Key（STK），用于加密配对后的通信的临时密钥

对于 LE Secure Connection 会生成一个 Key：

  • Long Term Key（LTK），用于加密配对后的通信

LE legacy Pairing 是 BLE4.2 之前的 SMP 配对方式，因为需要把长期密钥 LTK 分发，所以才有被破解的风险，LE Secure Connection 已经规定好了 LTK 是怎么计算的，上方不需要交换 LTK 了，所以更加安全

LE legacy Pairing 会先生成 TK，如果是根据配对特征发现是 just work 的方式，则 TK 默认是 000000
当完成配对特征交换之后进行配对确认，先是发起者向应答者发送一个确认值（Confirm Value），然后应答者返回一个确认值，双方确认对方发送的确认值跟自己计算出来的确认值是否相同，相同就进入到下一步

互相发送 Random Value

发送一个

协议栈

各芯片厂商具体实现各有不同，但都很相似，自顶向下大致分为三层
Application（应用）、Host（主控）、Controller（控制器）
其实 Application 使用来调用协议栈提供的接口的实现蓝牙功能的，不属于协议栈

Physical Layer 物理层

射频和电路部分

通过寄存器的设置来控制物理层

HCI 层

Host Controller Interface，提供了标准的蓝牙事件以及命令接口，用于上下层通信

L2CAP 层

Logical Link Control and Adaption Protocol 逻辑链路控制和适配层
负责逻辑链路的连接和数据的分发

ATT 和 SMP 层

SMP 是用来负责配对和密钥分发的，ATT 是用来传输数据

GAP 和 GATT

GAP 是 Generic Access Profile 的缩写，中文含义是：通用访问配置文件，定义了 BLE 设备如何使其自身可用，以及两个设备如何直接相互通信，定义了 Peripheral 和 Central、Broadcaster 和 Observer。前者是建立连接后通信，从设备通常是外设，比如手环、血压计等，主设备通常是手机、PC。后者不建立连接通信的，是通过广播和解析广播的方式进行数据的传播与获取。
GATT 是 Generic Attribute Profile 的缩写，是基于 ATT 的 Profile，中文含义是：通用属性配置文件，定义了一旦建立连接后如何传输属性，整合了 ATT 的读写操作，提供给上层的 Profile 用

GATT 中存在服务端和客户端的定义，与主从设备无关，主要取决于数据的流动方向，比如客户端（主机如手机）需要从服务端（从机如手环）读取心跳等信息
GATT 提供了通知（notifications）和指示（indications），客户端可以请求服务器请求通知一项特征（Characteristic），服务器可以在其变为可用时发送给客户端，避免客户端轮询服务器造成服务器无线电一直保持运行状态，指示（indication）与通知类似，但是它需要客户端响应已收到的消息
即通知（notification）只是告知客户端，不需要确认，指示（indication）需要客户端确认

BLE 所有的 Profile 都是有 service 和 characteristic 构成的，一个标准的 Profile 至少有一个 service 组成，一个 service 至少有一个 characteristic 组成，每个 characteristic 都有一个 value，这个 value 就是 BLE 的实际数据