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藍(lán)牙的信息安全機(jī)制及密鑰算法改進(jìn)
摘要：重點(diǎn)分析了藍(lán)牙的信息安全機(jī)制，對(duì)其各部分的算法及實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行了詳細(xì)討論。并對(duì)現(xiàn)有藍(lán)牙規(guī)范安全性做了一定的評(píng)估，根據(jù)其不足提出了由DES算法構(gòu)建的一種新的安全機(jī)制，能夠滿足安全性要求較高的藍(lán)牙應(yīng)用。藍(lán)牙作為一種新興的短距離無線通信技術(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)無縫資源共享。
由于藍(lán)牙通信標(biāo)準(zhǔn)是以無線電波作為媒介，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題。因?yàn)閷?duì)于大多數(shù)需要將保密放在首位來考慮的應(yīng)用來說，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”。“隨機(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)牙單元來說，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)行初始化過程，其過程由以下幾部分組成：
(1)生成初始化密鑰Kinit:為初始化過程中臨時(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程。如果申請(qǐng)者與證實(shí)者沒有交換過鏈路密鑰，則Kinit用于認(rèn)證過程，否則不再使用。該過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)單元沒有發(fā)生過通信聯(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。
圖3
(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，并通過其他操作后兩個(gè)單元得出聯(lián)合密鑰。然后開始互相認(rèn)證過程以確認(rèn)交互過程成功。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
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