藍(lán)牙技術(shù)
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藍(lán)牙嗅探技術(shù)方案
近年來，藍(lán)牙技術(shù)享有前所未有的聲望和發(fā)展速度，在移動設(shè)備上的覆蓋率更是驚人。事實(shí)上，藍(lán)牙已經(jīng)成為無線配件及智能設(shè)備的主要連接方式。不幸的是，最近研究表明，藍(lán)牙所采用的兩級流加密模式存在許多缺陷，用戶隱私受到潛在危脅。另一方面，則是利用藍(lán)牙傳遞信息的新型通訊軟件被用于違法犯罪活動中，嚴(yán)重影響社會和諧安定。面對藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)積極采取應(yīng)對措施，加強(qiáng)在藍(lán)牙嗅探方向的研究。
一、藍(lán)牙嗅探技術(shù)背景
1.1藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙技術(shù)是一種支持短距離的無線數(shù)據(jù)交換方式。一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備建立的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)被稱為微微網(wǎng)（Piconet）。藍(lán)牙技術(shù)因其低功耗、低成本、靈活性強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于短距離無線通信中。根據(jù)實(shí)用需求，藍(lán)牙設(shè)備的最大發(fā)射功率也被分為三個(gè)等級，而其覆蓋范圍也隨著功率而變化。目前，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟負(fù)責(zé)監(jiān)督藍(lán)牙規(guī)范的研究，管理認(rèn)證項(xiàng)目，并維護(hù)商標(biāo)權(quán)益。
1.2無線電層
藍(lán)牙協(xié)議棧最底層被稱為無線電層。藍(lán)牙技術(shù)采用2.4GHz工作頻段，該頻段是全世界公開通用的無線頻段（ISMBand），無需付費(fèi)和申請，保證了藍(lán)牙可以獲得更大的使用范圍。藍(lán)牙使用跳頻技術(shù)，并以1600跳/s的速率進(jìn)行跳頻，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將會分割成多個(gè)數(shù)據(jù)包，通過指定的79個(gè)藍(lán)牙信道分別傳輸數(shù)據(jù)包，每個(gè)信道占1MHz，藍(lán)牙的實(shí)際使用波段為2400MHz～2483.5MHz（包括防護(hù)頻帶）。這種方法導(dǎo)致了選擇性攔截的困難，因?yàn)楣粽咄枰肋B續(xù)的跳頻序列。
1.3基帶層
基帶層負(fù)責(zé)管理物理連接，確保由藍(lán)牙設(shè)備組成的微微網(wǎng)內(nèi)各單元之間由射頻構(gòu)成的物理連接。每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都有一個(gè)唯一的48位藍(lán)牙設(shè)備地址（BD_ADDR），分為3個(gè)部分，包括24位的低端地址部分（LAP）、8位的高端地址部分（UAP）和16位的非有效地址部分（NAP）。該地址可以說是藍(lán)牙技術(shù)的運(yùn)算核心，負(fù)責(zé)幾乎所有藍(lán)牙正常工作的控制參數(shù)，如密鑰、跳頻序列都是由此地址計(jì)算得到的。
1.4數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
所有的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包都按統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，由訪問碼、報(bào)頭和有效載荷組成。一個(gè)有效的數(shù)據(jù)包必須包含訪問碼，訪問碼用于數(shù)據(jù)同步和DC偏移補(bǔ)償。一個(gè)最簡單的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包，如用于尋呼、查詢和相應(yīng)過程的ID包，可以僅包含一個(gè)68bit的訪問碼。藍(lán)牙通信過程中有一個(gè)非常重要的包——跳頻同步（FHS）包，它包含藍(lán)牙設(shè)備的BD_ADDR和時(shí)鐘信息。
1.5連接的建立
為進(jìn)行藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸，必須先建立連接。首先，主設(shè)備會廣播發(fā)送ID包作為查詢。此時(shí)所使用的是79個(gè)藍(lán)牙信道中的32個(gè)廣播信道。從設(shè)備收到這個(gè)包后，會發(fā)送一個(gè)FHS包，其中包含了從設(shè)備的BD_ADDR和時(shí)鐘信息。收到FHS包的主設(shè)備進(jìn)入尋呼狀態(tài)，并按照從設(shè)備的跳頻序列計(jì)算出特定的應(yīng)答時(shí)間，發(fā)送ID包。從設(shè)備會固定間隔地掃描外部尋呼，在收到主設(shè)備的應(yīng)答ID包后，響應(yīng)該應(yīng)答，發(fā)送ID包。主設(shè)備收到從設(shè)備ID包后，發(fā)送FHS包確定連接的跳頻序列。最后，主從設(shè)備分別發(fā)送ID包和FHS包進(jìn)行驗(yàn)證，建立連接。
在微微網(wǎng)中，所有設(shè)備共享主設(shè)備的時(shí)鐘，以312.5μs為一個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)周期構(gòu)成625μs一個(gè)時(shí)間槽。通常情況下，主設(shè)備都會從雙數(shù)槽傳輸數(shù)據(jù)，從設(shè)備從單數(shù)槽傳輸數(shù)據(jù)。
二、藍(lán)牙嗅探方案
2.1藍(lán)牙嗅探的難點(diǎn)
藍(lán)牙嗅探的第一個(gè)障礙就是截獲藍(lán)牙跳頻序列。想要獲得一個(gè)完整的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸需要監(jiān)聽所有的79個(gè)藍(lán)牙信道，必須攔截和過濾獲得完整的數(shù)據(jù)包，這就要求必須知道正確的藍(lán)牙跳頻序列。獲得藍(lán)牙跳頻序列的方法有兩個(gè)，一種是依靠強(qiáng)大的軟硬件設(shè)備，另一種方法需要等待設(shè)備重新建立連接，并從建立連接的數(shù)據(jù)包中獲得跳頻序列。
另一個(gè)問題是常見藍(lán)牙硬件基于數(shù)據(jù)包的訪問碼自動進(jìn)行過濾。由于過濾行為發(fā)生在硬件層面，無法通過上層軟件的設(shè)計(jì)來解決，必須依靠相應(yīng)的硬件設(shè)備才能解決該問題。
2.2藍(lán)牙抓包工具Wireshark
Wireshark作為一款常用的抓包工具而被廣泛使用。而1.12以上及版本的Wireshark中增添了藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，意味著可以通過Wireshark對捕獲的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，為嗅探工作提供了很大的便利。同時(shí)，Wireshark也提供了監(jiān)聽本機(jī)藍(lán)牙接口的功能，能夠監(jiān)聽與本機(jī)相連的藍(lán)牙設(shè)備。圖1為用Wireshark抓取的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包信息。圖1中展示的是計(jì)算機(jī)與藍(lán)牙耳機(jī)建立連接過程中的部分?jǐn)?shù)據(jù)包。編號27為計(jì)算機(jī)作為主設(shè)備廣播發(fā)射的一個(gè)數(shù)據(jù)包，查詢附近的藍(lán)牙設(shè)備。編號28至編號31都是藍(lán)牙耳機(jī)對計(jì)算機(jī)的查詢響應(yīng)，除編號28外的三個(gè)數(shù)據(jù)包中都含有耳機(jī)的BD_ADDR。自此，計(jì)算機(jī)與藍(lán)牙耳機(jī)通過互相發(fā)送數(shù)據(jù)包，逐步建立藍(lán)牙連接。
2.3藍(lán)牙無線開發(fā)平臺Ubertooth
UbertoothOne是由Ubertooth項(xiàng)目組設(shè)計(jì)提供的一款用于藍(lán)牙研究的硬件。Ubertooth是一個(gè)開放源代碼的2.4GHz無線開發(fā)平臺，適用于藍(lán)牙監(jiān)測。UbertoothOne同樣通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連。
利用SpecanUI工具能夠直觀地觀測到實(shí)時(shí)的藍(lán)牙頻譜信息，如圖2所示。在圖2的觀測中存在一個(gè)與手機(jī)相連的藍(lán)牙耳機(jī)。
可以發(fā)現(xiàn)，活躍的無線信號主要集中在2403Hz到2446Hz之間，意味著該手機(jī)與藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸主要集中在這些信道上。另外，2402Hz、2426Hz、2480Hz為固定的廣播信道，用于對未連接設(shè)備間發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，連接建立和發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備。這3個(gè)信道在頻譜上也有明顯的特點(diǎn)。
UbertoothOne也能支持選擇要監(jiān)聽的信道，或是捕獲藍(lán)牙數(shù)據(jù)包等功能。捕獲的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包可以通過Wireshark等軟件進(jìn)行分析。通過UbertoothOne發(fā)送藍(lán)牙數(shù)據(jù)包目前為止還是不可能的，意味著不能使用UbertoothOne實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的注入操作。
結(jié)論
藍(lán)牙嗅探方案的實(shí)現(xiàn)，目前還存在不少的難點(diǎn)。另一方面來看，過高的門檻也杜絕了大量不法分子利用藍(lán)牙盜取公民信息的企圖。但是，諸如FireChat之類的，通過藍(lán)牙進(jìn)行通信的軟件常常被應(yīng)用在違法犯罪活動中，已經(jīng)嚴(yán)重危害了公共安全。深入研究藍(lán)牙技術(shù)，積極研究藍(lán)牙嗅探方案，不但能解決當(dāng)前問題，更為將來的藍(lán)牙安全問題做好應(yīng)對準(zhǔn)備。
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