CC2640|蓝牙协议分析(8)_BLE安全机制之白名单 CC2640|BLE

前言
在万物联网的时代，安全问题将会受到非常严峻的挑战（相应地，也会获得最大的关注度），因为我们身边的每一个IOT设备，都是一个处于封印状态的天眼，随时都有被开启的危险。想想下面的场景吧：

凌晨2点，x米手环的闹钟意外启动，将你从睡梦中惊醒，然后床头的灯光忽明忽暗……
你的心率、血压、睡眠质量等信息，默默地被竞争对手收集着，并通过大数据分析你的情绪、健康等，随时准备给你致命一击……
我知道你家里有几盏灯、几台电器、几个人，知道你几点睡觉几时醒来，知道你一周做过几顿饭，甚至知道你有一个xx棒、一周使用几次、每次使用多久……
……
算了，不罗列了，有时间的话可以建个iot eyes的站点，专门收集、整理物联网安全有关的内容。这里就先言归正传。
经过前面几篇的蓝牙协议分析，我们对蓝牙（特别是蓝牙低功耗）已经有了一个比较全面的了解。随后几篇文章，我会focus在BLE的安全机制上。毕竟，知己知彼，才能攻防有度。
话说，蓝牙SIG深知物联网安全的水有多深，因此使用了大量的篇幅，定义BLE安全有关的机制，甚至可以不夸张的说，BLE协议中内容最多、最难理解的部分，非安全机制莫属。本文先从介绍最简单的----白名单机制（White list）。

白名单机制
白名单（white list）是BLE协议中最简单、直白的一种安全机制。其原理很简单，总结如下（前面的分析文章中都有介绍）：

所谓的白名单，就是一组蓝牙地址；
通过白名单，可以只允许特定的蓝牙设备（白名单中列出的）扫描（Scan）、连接（connect）我们，也可以只扫描、连接特定的蓝牙设备（白名单中列出的）。
例如，如果某个BLE设备，只需要被受信任的某几个设备扫描、连接，我们就可以把这些受信任设备的蓝牙地址加入到该设备的白名单中，这样就可以有效避免其它“流氓设备”的骚扰了。
不过呢，该机制只防君子不防小人，因为它是靠地址去过滤“流氓”的，如果有些资深流氓，伪装一下，将自己的设备地址修改为受信任设备的地址，那就惨了……

白名单有关的HCI命令
注1：本文主要从HCI的角度分析、介绍，如非必要，不再会涉及HCI之下的BLE协议（后续的分析文章，也大抵如此）。

3.1 白名单维护相关的命令
BLE协议在HCI层定义了4个和白名单维护有关的命令，分别如下：
1）LE Read White List Size Command，获取controller可保存白名单设备的个数
该命令的格式为：
List item
【CC2640|蓝牙协议分析(8)_BLE安全机制之白名单】| OCF| Command parameters |Return Parameters
|0x000F　|| Status White_List_Size
Status，命令执行的结果，0为success。
White_List_Size，size，范围是1～255。
注2：由此可知，白名单是保存在controller中，由于size的范围是1～255，因此controller必须实现白名单功能（最少保存一个）。
2）LE Clear White List Command，将controller中的白名单清空
该命令的格式为：
OCFCommand parametersReturn Parameters
0x0010Status
Status，命令执行的结果，0为success。
3）LE Add Device To White List Command，将指定的设备添加到白名单
该命令的格式为：
OCFCommand parametersReturn Parameters
0x0011Address_type(1 byte)Status
Address(6 bytes)
Address_type，设备的地址类型[1]，0为Public Device Address，1为Random Device Address。
Address，设备的地址。
Status，命令执行的结果，0为success。
4）LE Remove Device From White List Command，将指定的设备从白名单中移除的命令
该命令的格式为：
OCFCommand parametersReturn Parameters
0x0012Address_type(1 byte)Status
Address(6 bytes)
Address_type，设备的地址类型[1]，0为Public Device Address，1为Random Device Address。
Address，设备的地址。
Status，命令执行的结果，0为success。
最后需要说明的是，当controller处于以下三个状态的时候，以上命令除“LE Read Resolving List Size Command”外，均不能执行：
正在advertising；
正在scanning；
正在connecting。
3.2 白名单使用策略有关的命令
BLE设备在发起Advertising、Scanning或者Connecting操作的时候，可以通过Set Advertising Parameters、Set Scan Parameters或者LE Create Connection Command，设置Advertising、Scanning或者Connecting的过滤策略（Filter_Policy），具体如下：
1）Advertising时的白名单策略
LE Set Advertising Parameters Command的命令格式为：
OCFCommand parametersReturn Parameters
0x0006Advertising_Filter_Policy(1 byte)Status
该命令的其它参数请参考[2]，Advertising_Filter_Policy的含义如下：
0x00，禁用白名单机制，允许任何设备连接和扫描。
0x01，允许任何设备连接，但只允许白名单中的设备扫描（scan data中有敏感信息？）。
0x02，允许任何设备扫描，但只允许白名单中的设备连接。
0x03，只允许白名单中的设备扫描和连接。
2）Scanning时的白名单策略
LE Set Scan Parameters Command的命令格式为：
OCFCommand parametersReturn Parameters
0x000B Scanning_Filter_Policy(1 byte)Status
该命令的其它参数请参考[2]，Scanning_Filter_Policy的含义如下：
0x00，禁用白名单机制，接受所有的广播包（除了那些不是给我的directed advertising packets）。
0x01，只接受在白名单中的那些设备发送的广播包（除了那些不是给我的directed advertising packets）。
0x02，和白名单无关，不再介绍。
0x03，接受如下的广播包：在白名单中的那些设备发送的广播包；广播者地址为resolvable private address的directed advertising packets；给我的给我的directed advertising packets。
注3：Scanning时的白名单策略有点奇怪，既然是主动发起的，要白名单的意义就不大了吧？
3）Connecting时的白名单策略
LE Create Connection Command的命令格式为：
OCFCommand parametersReturn Parameters
0x000DInitiator_Filter_Policy(1 byte)Status
该命令的其它参数请参考[4]，Initiator_Filter_Policy的含义如下：
0x00，禁用白名单机制，使用Peer_Address_Type and Peer_Address指定需要连接的设备。
0x01，连接那些在白名单中的设备，不需要提供Peer_Address_Type and Peer_Address参数。

使用示例
4.1 准备工作
后续的测试需要用到如下的设备和软件：

1）蓝牙设备A，作为Advertiser，发送广播数据，接受连接。
2）蓝牙设备B，作为Scanner，扫描设备A的广播数据，发起连接。
上述的1）和2）可以是如下一种：
一个具有bluez（hcitool等工具）的Android手机，可能需要较旧的android版本才行；
带有蓝牙功能的树莓派，允许Debian、Ubuntu等系统（只要不是Android就行）；
Linux PC（或者虚拟机）加上一个具有BLE功能的蓝牙适配器。
3）bluez工具集，我们需要使用其中的hcitool命令。
4.2 相关的hcitool命令说明
hcitool中的一些命令，和白名单机制有关，总结如下。
1）hcitool lewlsz，获取controller白名单的size，对应3.1中的LE Read White List Size Command，该命令不需要参数，可直接使用，如下：
root@android:/ # hcitool lewlsz
hcitool lewlsz
White list size: 26
2）hcitool lewlclr，情况controller的白名单，对应3.1中的LE Clear White List Command，该命令也不需要参数，可直接使用，如下：
root@android:/ # hcitool lewlclr
hcitool lewlclr
3）hcitool lewladd，将指定设备添加到白名单中，对应3.1中的LE Add Device To White List Command，其格式如下：
root@android:/ # hcitool lewladd --help
hcitool lewladd --help
Usage:
lewladd [–random]
其中是必选项，为要添加的蓝牙设备的地址。地址有public和random两种，默认是public，如果需要添加random类型的地址，则要指定–random参数，例如：
root@android:/ # hcitool lewladd 22:22:21:CD:F4:58
hcitool lewladd 22:22:21:CD:F4:58
root@android:/ # hcitool lewladd --random 11:22:33:44:55:66
hcitool lewladd --random 11:22:33:44:55:66
4）hcitool lewlrm，将指定设备从白名单中移除，对应3.1中的LE Remove Device From White List Command，该命令只需要蓝牙地址作为参数，如下：
root@android:/ # hcitool lewlrm --help
hcitool lewlrm --help
Usage:
lewlrm
5）hcitool lecc，连接BLE设备的命令，对应3.2中的LE Create Connection Command，可以连接指定地址的设备，也可以直接连接白名单中的设备：
root@android:/ # hcitool lecc --help
hcitool lecc --help
Usage:
lecc [–random]
lecc --whitelist
一般情况下，我们都是通过hcitool lecc 的方式连接蓝牙设备，不过如果我们需要连接白名单中的设备，可直接使用如下命令：
hcitool lecc --whitelist
6）hcitool cmd，对于其它没有直接提供hcitool命令的HCI操作，我们可以使用hcitool cmd直接发送命令，其使用方法如下：
root@android:/ # hcitool cmd --help
hcitool cmd --help
Usage:
cmd [parameters]
Example:
cmd 0x03 0x0013 0xAA 0x0000BBCC 0xDDEE 0xFF
其中ogf、ocf和parameters可以去蓝牙spec的“HCI COMMANDS AND EVENTS”章节查询。需要注意的是，parameters可以使用各种类型（8位、16位、32位），还是很方便的。
4.3 测试步骤
这里仅仅罗列一个简单的测试，步骤包括：
1）设备A作为Advertising设备，不使用白名单，发送正常的ADV_IND（可连接、可扫描）广播包。
2）设备B扫描并连接设备A（应该可以正常连接）。
3）设备A作为Advertising设备，启用白名单，设置Advertising_Filter_Policy为0x2(只允许白名单中的设备连接)，且没有把B的地址添加到白名单中。
4）设备B扫描并连接设备A（应该不可以正常连接）。
5）设备A把设备B添加到白名单中，其它策略保持不变。
6）设备B扫描并连接设备A（应该可以正常连接）。
详细步骤如下（我没有测试，有问题的请大家留言告诉我）：
1）设备A作为Advertising设备，不使用白名单，发送正常的ADV_IND（可连接、可扫描）广播包。
disable BLE advertising hcitool cmd 0x08 0x000A 0x00
设置广播参数和广播策略 Advertising_Interval_Min=0x0800 (1.28 second, default) Advertising_Interval_Max=0x0800 (1.28 second, default) Advertising_Type=0x00(ADV_IND, default) Own_Address_Type=0x00(Public Device Address, default) Peer_Address_Type=0x00(Public Device Address, default) Peer_Address=00 00 00 00 00 00 (no use) Advertising_Channel_Map=0x07(all channels enabled, Default) Advertising_Filter_Policy=0x0(禁用白名单) hcitool -i hci0 cmd 0x08 0x0006 0x0800 0x0800 0x00 0x00 0x00 00 00 00 00 00 00 0x07 0x00
enable BLE advertising hcitool cmd 0x08 0x000A 0x01
set advertising data to Eddystone UUID(可参考[3]中的介绍) hcitool -i hci0 cmd 0x08 0x0008 1e 02 01 06 03 03 aa fe 17 16 aa fe 00 -10 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0e 0f 00 00 00 00
2）设备B扫描并连接设备A（应该可以正常连接）。
hcitool lescan
hcitool lecc [bdaddr of A]
3）设备A作为Advertising设备，启用白名单，设置Advertising_Filter_Policy为0x2(只允许白名单中的设备连接)，且没有把B的地址添加到白名单中。
disable BLE advertising hcitool cmd 0x08 0x000A 0x00
设置广播参数和广播策略 … Advertising_Filter_Policy=0x2(只允许白名单中的设备连接) hcitool -i hci0 cmd 0x08 0x0006 0x0800 0x0800 0x00 0x00 0x00 00 00 00 00 00 00 0x07 0x02
清空白名单 hcitool lewlclr
随便加一个地址到白名单 hcitool lewladd 11:22:33:44:55:66
enable BLE advertising hcitool cmd 0x08 0x000A 0x01
set advertising data to Eddystone UUID(可参考[3]中的介绍) hcitool -i hci0 cmd 0x08 0x0008 1e 02 01 06 03 03 aa fe 17 16 aa fe 00 -10 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0e 0f 00 00 00 00
4）设备B扫描并连接设备A（应该不可以正常连接）。
hcitool lescan
hcitool lecc [bdaddr of A]
5）设备A把设备B添加到白名单中，其它策略保持不变。
disable BLE advertising hcitool cmd 0x08 0x000A 0x00
设置广播参数和广播策略 … Advertising_Filter_Policy=0x2(只允许白名单中的设备连接) hcitool -i hci0 cmd 0x08 0x0006 0x0800 0x0800 0x00 0x00 0x00 00 00 00 00 00 00 0x07 0x02
将B添加到白名单中 hcitool lewladd [bdaddr of B]
enable BLE advertising hcitool cmd 0x08 0x000A 0x01
set advertising data to Eddystone UUID(可参考[3]中的介绍) hcitool -i hci0 cmd 0x08 0x0008 1e 02 01 06 03 03 aa fe 17 16 aa fe 00 -10 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0e 0f 00 00 00 00
6）设备B扫描并连接设备A（应该可以正常连接）。
hcitool lescan
hcitool lecc [bdaddr of A]