藍(lán)牙技術(shù)中加密算法研究論文
時(shí)間：2022-11-17 04:12:00
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摘要此文主要討論藍(lán)牙技術(shù)中的加密算法和安全措施，并進(jìn)一步提出
了對于藍(lán)牙加密算法所存在的問題的解決方案。
關(guān)鍵字藍(lán)牙流加密分組加密DESAES
1引言
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的信息安全問題越來越受到廣泛關(guān)注。信息安全主要涉及到用戶身份驗(yàn)證、訪問控制、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)加密等問題。網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品大量涌現(xiàn)。雖然各種網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的功能多種多樣，但它們無一例外地要使用加密技術(shù)。一個(gè)好的加密算法首先表現(xiàn)在它的安全性上，一個(gè)不安全的算法會(huì)使使用它的網(wǎng)絡(luò)變得更加脆弱；其次要考慮它在軟硬件方面實(shí)現(xiàn)的難易度，不易實(shí)現(xiàn)的加密算法是不現(xiàn)實(shí)的；第三要看使用此加密算法會(huì)不會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率。
藍(lán)牙技術(shù)是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它基于芯片提供短距離范圍的無線跳頻通信。它注定會(huì)成為一項(xiàng)通用的低成本無線技術(shù)，可適用于一系列范圍廣泛的數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列安全機(jī)制，從而為近距離無線通信提供了基本的保護(hù)。它要求每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、認(rèn)證以及加密等功能。此外藍(lán)牙技術(shù)所采用的跳頻數(shù)據(jù)通信方式本身也是一個(gè)防止竊聽的有效安全手段。藍(lán)牙加密過程中所用到的加密算法是E0流密碼。但是這種算法存在有一些缺點(diǎn)，128位密鑰長度的E0流加密在某些情況下可通過0（2^64）方式破解。所以對于大多數(shù)需要將保密放在首位來考慮的應(yīng)用來說，僅僅采用藍(lán)牙提供的數(shù)據(jù)安全性是不夠的。
2藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中的安全措施
藍(lán)牙技術(shù)中，物理層數(shù)據(jù)的安全性主要是采用了跳頻擴(kuò)展頻譜，由于藍(lán)牙技術(shù)采用了跳頻技術(shù)從而使得竊聽變得極困難。藍(lán)牙射頻工作在2.4Hz頻段。在北美和歐洲的大部分國家，藍(lán)牙設(shè)備工作與從2.402到2.480Hz的頻帶，整個(gè)頻帶被分為79個(gè)1MHz帶寬的子信道。FHSS依靠頻率的變化來對抗干擾。如果射頻單元在某個(gè)頻率遇到干擾，則會(huì)在下一步跳到另一頻率點(diǎn)時(shí)重傳受到干擾的信號(hào)，因此總的干擾可變得很低。
為了得到完整的傳輸數(shù)據(jù)，藍(lán)牙技術(shù)使用以下三種糾錯(cuò)方案：1/3比例前向糾錯(cuò)碼（FEC），2/3比例前向糾錯(cuò)碼（FEC），數(shù)據(jù)的自動(dòng)重發(fā)請求（ARQ）方案。
藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品的認(rèn)證和加密服務(wù)一般由鏈路層提供，認(rèn)證采用口令-應(yīng)答方式進(jìn)行。在連接過程中往往需要一兩次認(rèn)證。為了確保通信安全，對藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行認(rèn)證是十分必要的，通過認(rèn)證之后，可以允許用戶自行增添可信任的藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備，例如，用戶自己的筆記本電腦經(jīng)過認(rèn)證之后，能夠確保只有用戶自己的這臺(tái)筆記本電腦，才可以借助用戶自己的移動(dòng)電話手機(jī)進(jìn)行通信。
若對于通信有更高的安全要求，那么通信中的藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品就不必局限于采用物理層的提供，還可以采用更高級(jí)別的傳輸層和應(yīng)用層安全機(jī)制，以確保基于藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品的通信更加安全可靠。
3藍(lán)牙技術(shù)中的加密算法
在鏈路層中，藍(lán)牙系統(tǒng)提供了認(rèn)證、加密和密鑰管理等功能，每一個(gè)用戶都有一個(gè)標(biāo)識(shí)碼（PIN），藍(lán)牙設(shè)備中所用的PIN碼的長度可以在1到16個(gè)字節(jié)之間變化。通常4個(gè)字節(jié)的PIN碼已經(jīng)可以滿足一般應(yīng)用，但是更高安全級(jí)別的應(yīng)用將需要更長的碼字。PIN碼可以是藍(lán)牙設(shè)備提供的一個(gè)固定碼，也可以由用戶任意指定，標(biāo)識(shí)碼（PIN）會(huì)被一個(gè)128位鏈路密鑰來進(jìn)行單雙向認(rèn)證。一旦認(rèn)證完畢，鏈路層會(huì)以不同長度的密鑰來加密。如圖1。
PINPIN
認(rèn)證
鏈路密鑰
鏈路密鑰
加密
加密密鑰Kc
加密密鑰Kc
申請者校驗(yàn)者
圖1：藍(lán)牙中鏈路層的加密過程
藍(lán)牙技術(shù)在加密過程中所采用的加密算法如下表1。
表1：藍(lán)牙加密過程中所用的加密算法
3．1認(rèn)證算法
在認(rèn)證過程中，用于藍(lán)牙認(rèn)證的E1認(rèn)證函數(shù)來計(jì)算出一個(gè)安全認(rèn)證碼或被稱為MAC（媒體訪問控制地址）。E1所采用的算法是SAFER+，SAFER+算法是參與1997年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）征集AES（AdvancedEncryptionStandard）的候選算法之一。SAFER+是基于現(xiàn)有的64位分組密碼的SAFER-SK128，因此它的安全性可以說是經(jīng)過了時(shí)間的考驗(yàn)。
E1函數(shù)的輸入是linkkey，AU_RAND及BD_ADDR，它的定義如下：
E1：
在藍(lán)牙技術(shù)中，認(rèn)證采用口令－應(yīng)答方式。驗(yàn)證方要求申請者鑒別隨機(jī)數(shù)AU_RAND并返回計(jì)算結(jié)果SRES，若雙方的計(jì)算結(jié)果相等則認(rèn)證成功，并保留ACO（AuthenticatedCipheringOffset）值。若某次認(rèn)證失敗，則必須等待一定的時(shí)間間隔才能進(jìn)行再次認(rèn)證
3．2加密算法
在藍(lán)牙技術(shù)中，用戶信息可采用分組有效載荷的加密進(jìn)行保護(hù)，但識(shí)別碼和分組頭不加密。有效載荷的加密采用E0流密碼來實(shí)現(xiàn)。E0將對每一有效載荷重新同步。流密碼系統(tǒng)E0由三部分組成。第一部分執(zhí)行初始化（生成有效載荷字），第二部分生成密鑰流，第三部分完成加密和解密，如圖2。
有效載荷字明碼文本/密碼文本
Kc
地址
時(shí)鐘Z密碼文本/明碼文本
RAND
圖2藍(lán)牙的E0流加密
有效載荷字發(fā)生器非常簡單，它僅僅以適當(dāng)序列對輸入的位進(jìn)行組合，然后將它們轉(zhuǎn)移到用于密鑰流發(fā)生器的四位LFSR中。加密機(jī)采用了四個(gè)線性反饋移位寄存器（LFSR），依次為LFSR1、LFSR2、LFSR3、LFSR4，其長度分別為25，31，33，39比特。LFSR的性質(zhì)：加密機(jī)把四個(gè)LFSR的輸出結(jié)果輸入到一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)中，經(jīng)有限狀態(tài)機(jī)的組合運(yùn)算輸出密鑰流序列，若在初始化階段則輸出一個(gè)隨機(jī)的初始化值。加密算法使用Kc、BD_ADDR、主時(shí)鐘CLK26-1及RAND這些參數(shù)。時(shí)鐘CLK26-1按時(shí)隙遞增，在任兩次發(fā)送中，CLK26-1至少有一位是不同的，因此在每次初始化后都將產(chǎn)生新的密鑰流。對占用多個(gè)時(shí)隙的分組來說，CLK26-1為分組所占的第一個(gè)時(shí)隙的時(shí)鐘值。
第二部分是該密碼系統(tǒng)的主要部分，并也將用于初始化過程中。密鑰流取自于Massey和Rueppel流密碼發(fā)生器的方法來生成。
最后就是流加密算法的加密過程。將數(shù)據(jù)流與密碼算法生成二進(jìn)制流比特進(jìn)行異或運(yùn)算。對于加密規(guī)則，流密碼算法用于將加密位按位模2并加到數(shù)據(jù)流上，然后通過無線接口進(jìn)行傳輸。對每一分組的有效載荷的加密是單獨(dú)進(jìn)行的，它發(fā)生在CRC校驗(yàn)之后，F(xiàn)EC編碼之前。由于加密是對稱的，解密使用完全和加密相同的密鑰和相同的方法實(shí)現(xiàn)。
4藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中加密算法存在的問題
藍(lán)牙所采用的E0流密碼算法的本身就有一些弱點(diǎn)。流密碼算法主要的缺點(diǎn)在于若一個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生錯(cuò)誤便會(huì)使整個(gè)密文發(fā)生錯(cuò)誤，致使在解密過程中無法還原回明文。流加密算法系統(tǒng)的安全完全依靠密鑰流發(fā)生器的內(nèi)部機(jī)制。如果它的輸出是無窮無盡的0序列，那么密文就是明文，這樣整個(gè)系統(tǒng)就一文不值；如果它的輸出是一個(gè)周期性的16-位模式，那么該算法僅是一個(gè)可忽略安全性的異或運(yùn)算；如果輸出的是一系列無盡的隨機(jī)序列（是真正的隨機(jī)，非偽隨機(jī)），那么就有一次一密亂碼本和非常完美的安全。實(shí)際的流密碼算法的安全性依賴于簡單的異或運(yùn)算和一次一密亂碼本。密鑰流發(fā)生器產(chǎn)生的看似隨機(jī)的密鑰流實(shí)際上是確定的，在解密的時(shí)候能很好的將其再現(xiàn)。密鑰流發(fā)生器輸出的密鑰越接近于隨機(jī)，對密碼分析者來說就越困難。然而，這種隨機(jī)的密鑰流卻不容易得到。
在藍(lán)牙E0流加密中用到的LFSR易受到相關(guān)攻擊和分割解決攻擊，且用軟件實(shí)現(xiàn)效率非常低。在實(shí)現(xiàn)過程中要避免稀疏的反饋多項(xiàng)式，因?yàn)樗鼈円自獾较嚓P(guān)攻擊，但稠密的反饋多項(xiàng)式效率也很低。事實(shí)上LFSR算法用軟件實(shí)現(xiàn)并不比DES快。
以上的這些問題會(huì)讓人認(rèn)為藍(lán)牙的安全體系是高度不可靠的，然而一個(gè)不可忽略的事實(shí)是：通過藍(lán)牙連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般來說并不是非常重要的。目前藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)考慮到的安全技術(shù)只適用于規(guī)模較小的網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)較多，拓?fù)鋸?fù)雜(如AdHoc網(wǎng)絡(luò))，現(xiàn)有的基于點(diǎn)對點(diǎn)的密鑰分配和認(rèn)證機(jī)制不能滿足需求。藍(lán)牙所提供的數(shù)據(jù)安全性措施對小型應(yīng)用來說看起來已足夠了，但任何敏感數(shù)據(jù)或會(huì)產(chǎn)生問題的數(shù)據(jù)都不應(yīng)直接通過藍(lán)牙傳輸。為了使藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用得更廣泛，我們可采用另外更強(qiáng)勁的加密算法，如DES算法。
5DES解決方案
5．1DES簡介
1977年1月，美國政府采納了由IBM研制的作為非絕密信息的正式標(biāo)準(zhǔn)乘積密碼。這激勵(lì)了一大批生產(chǎn)廠家實(shí)現(xiàn)這個(gè)在保密產(chǎn)業(yè)中成為數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES（dataencrytionstandard）的加密算法。此算法有一個(gè)64比特的密鑰作為參數(shù)。明文按64比特分組加密，生成64比特的密文。
由于DES是一種塊加密方法，這意味著加密過程是針對一個(gè)數(shù)據(jù)塊一個(gè)數(shù)據(jù)塊地進(jìn)行的。在DES算法中，原始信息被分成64位的固定長度數(shù)據(jù)塊，然后利用56位的加密密鑰通過置換和組合方法生成64位的加密信息。解密用的密鑰與加密密鑰相同，只是解密步驟正好相反。DES傳送數(shù)據(jù)的一般形式是以代入法密碼格式按塊傳送數(shù)據(jù)。DES采用的加密方法，一次加密一位或一個(gè)字節(jié)，形成密碼流。密碼流具有自同步的特點(diǎn)，被傳送的密碼文本中發(fā)生錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)丟失，將只影響最終的明碼文本的一小段（64位），這稱為密碼反饋。
與藍(lán)牙流密碼算法不同，數(shù)學(xué)上可以證明分組加密算法是完全安全的。DES塊密碼是高度隨機(jī)的、非線性的，生成的加密密文與明文和密鑰的每一位都相關(guān)。DES的可用加密密鑰數(shù)量多達(dá)72x1015個(gè)。應(yīng)用于每一明文信息的密鑰都是從這一巨大數(shù)量的密鑰中隨機(jī)產(chǎn)生的。DES算法已被廣泛采用并被認(rèn)為是非常可靠的。
5．2藍(lán)牙中用DES取代E0流密碼
如圖1，在兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備經(jīng)過認(rèn)證并已生成了加密密鑰Kc后就可進(jìn)行加密了。因?yàn)镵c可在8~128比特變化，而DES加密算法使用長度為56比特的密鑰加密長度為64比特的明文從而獲得64比特的密文，所以這里可取Kc的長度為56比特。用DES加密藍(lán)牙數(shù)據(jù)分組的過程如下：
a)將來自藍(lán)牙分組分割成64比特的明文段。其中的一段記為x=DIN[63：0]，先通過一個(gè)固定的初始置換IP，將x的比特置換為x0。即：x0=IP（x）=L0R0，這里L(fēng)0是x0的前32比特，R0是x0的后32比特。
b)進(jìn)行16輪完全相同的運(yùn)算，在這里是數(shù)據(jù)與密鑰相結(jié)合，例計(jì)算LiRi，。
Li=Ri-1
Ri=Lif(Ri-1,Ki)
其中Ki是來自密鑰Kc=Key[63：0]的比特的一個(gè)置換結(jié)果。而f函數(shù)是實(shí)現(xiàn)代替、置換及密鑰異或的函數(shù)。
c)對R16L16進(jìn)行初始置換IP的逆置換IP，獲得密文y=DOUT[63：0]，即y=IP（R16L16）。最后一次迭代后，左邊和右邊未交換，將R16L16作為IP的輸入，目的是使算法可同時(shí)用于加密和解密。
無論是硬件還是軟件，此DES加密方案都易實(shí)現(xiàn)。其中DES的硬件實(shí)現(xiàn)如圖3。此硬件加密方案采用低成本的可編程邏輯器件和現(xiàn)成可用的用于高級(jí)加密處理的智力產(chǎn)權(quán)（IP）產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。目前，大批量時(shí)只用10美元即可購買到10萬系統(tǒng)門的可編程邏輯器件。這些器件還允許在設(shè)計(jì)中增加其它功能，如高級(jí)錯(cuò)誤糾正。因此可編程邏輯器件可大幅度降低系統(tǒng)級(jí)的成本。
用軟件（這里選用C語言）來實(shí)現(xiàn)該加密算法。為了算法實(shí)現(xiàn)的方便，這里刪去了初始置換和末置換。
將此加密算法嵌入藍(lán)牙協(xié)議中的基帶部分以取代E0流密碼算法，可允許藍(lán)牙技術(shù)安全地應(yīng)用到范圍廣泛的安全性具有最重要地位的應(yīng)用中去。這些應(yīng)用包括：金融電子交易：ATM、智能卡，安全電子商務(wù)交易，安全辦公通信，安全視頻監(jiān)視系統(tǒng)，數(shù)字機(jī)頂盒，高清晰度電視（HDTV），其它消費(fèi)電子設(shè)備等領(lǐng)域。
另外，對藍(lán)牙加密這個(gè)過程中，可發(fā)現(xiàn)DES加密算法在近距離無線局域網(wǎng)的特定環(huán)境下存在一些問題。進(jìn)而優(yōu)化算法，最終可為應(yīng)用于各種近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信的加密算法的選擇提供有實(shí)際意義的參考依據(jù)。
6結(jié)束語
藍(lán)牙是一項(xiàng)將會(huì)改變我們通信方式的令人激動(dòng)的新技術(shù)。然而，藍(lán)牙技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)化過程中都未曾完整地考慮安全問題。作為以無線信道為傳輸媒體的通信網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)相對于固定網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。對于數(shù)據(jù)安全性處于首要地位的應(yīng)用來說，實(shí)現(xiàn)高水平的數(shù)據(jù)安全性是必須的。目前藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)所采用的E0流密碼算法存在著很多弊端，而DES和RSA算法相對來說更安全，而且較易實(shí)現(xiàn)。
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