CN105144826B - 用于对蓝牙设备进行安全配对的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种安全配对蓝牙设备的系统，所述系统包括一个主设备和一个外围设备，其中每个设备均包括音频接口和蓝牙收发器。主设备与外围设备通过物理连接其相应的音频接口进行相互连接，并通过经由已连接的音频接口建立带外音频通信通道的方式进行相互通信。主设备和外围设备通过带外音频通信通道交换蓝牙验证数据，随后通过用相应的被交换的蓝牙验证数据对相应的蓝牙收发器进行开启和初始化，实现相互间的安全配对。

Description

用于对蓝牙设备进行安全配对的系统和方法
对相关共同待决申请的交叉引用
本申请主张于2013年3月27日提交的题为“用于对蓝牙设备进行安全配对的系统和方法”的序列号为61805538的美国临时申请的权益，该临时专利申请与本申请被共同转让给本申请人，其内容通过参考明确并入本文中。
发明领域
本发明涉及用于采用带外(out-of-band，OOB)音频通道对蓝牙设备进行安全配对的系统和方法。
发明背景
诸如智能手机、个人数字助理(PDA)、便携式计算机、平板电脑等便携式个人计算设备和诸如数字音乐播放器等音频设备在近年来已无所不在。这些设备通常具有不同的内置式物理电气接口，例如USB、火线、RS232串口和音频插头等。在几乎所有的这些设备中，特别是在音频设备中，音频插头是一种常见的接口。设备的音频插头充当音频插孔连接器的插接件，其用于传送包括音频信号在内的模拟信号。音频插头用于连接耳机、扬声器、话筒和免提设备等。
在过去，许多手机常有其自己专有的音频插头形式，其被配置为与电缆一起使用，其中电缆配备有与之相匹配的专有音频插孔。然而，近年来手机的功能有了很大的变化，现在大多数手机也是数字音乐播放器、支付设备、导航设备和摄像机等。包括耳机、打印机和读卡器等附加的附件设备可被连接至手机，用以听音乐、打印和完成支付等。因此，由于这些增加的功能和将附加的附件设备连接至手机的需求，现在在多数中高端手机均采用了2.5mm音频插头和/或3.5mm音频插头。
除有线连接之外，许多便携式设备还配有无线连接能力，例如蓝牙、Wi-Fi或WiMAX等。在设备以物理方式连接的有线连接中，数据安全较少成为受人关注的问题。与有线连接不同，在无线连接中可能进行窃听，数据必须有密码保护，且两个相互通信的设备必须相互进行验证。必须采用一个配对过程来建立这种安全连接。
蓝牙是一种用于短距离通信的专用低功耗无线技术。蓝牙的特性使之成为用于主机设备与其他外围设备之间的数据通信技术的一种有竞争力的备选方式。在两个设备可以通信之前，必须首先完成配对过程，以在两个蓝牙设备之间建立安全连接。在配对过程中，设备会交换并建立起共同的用于安全连接的链接密钥。链接密钥会被存储，此后的连接将无需用户交互即可完成。
同时配有音频插头接口和蓝牙技术的设备的数量可望快速地增长。音频接口可用于数据传输，但其数据率有限。蓝牙可支持较高的数据率，但优选保持蓝牙收发器关闭，以节省用电并降低辐射。相应地，需要有一种简单且高效的方式来实现无线设备配对，其中，控制副信息(side information)通过一个替代通道进行传输。
发明概述
本发明提供了一种使用带外(OOB)音频通道对蓝牙设备进行配对的安全且方便的方式。
一般而言，在一方面，本发明提供了一种安全配对的蓝牙设备的系统，其包括主设备和外围设备。主设备包括音频接口和蓝牙收发器，外围设备包括音频接口和蓝牙收发器。主设备和外围设备被配置为通过物理连接其相应的音频接口进行相互连接，并通过经由已连接的音频接口建立带外音频通信通道的方式进行相互通信。主设备和外围设备被配置为通过带外音频通信通道交换蓝牙验证数据。随后，主设备和外围设备被配置为通过用相应的被交换的蓝牙验证数据对相应的蓝牙收发器进行开启和初始化，在相互间建立经过验证且有密码保护的带内蓝牙通信通道，以此实现相互间的安全配对。
本发明的这一方面的实现方式可包括以下特征中的一项或多项。在外围设备检测到主设备存在或主设备检测到外围设备存在时，自动建立主设备与外围设备之间的带内蓝牙通信通道会。蓝牙验证数据可以是验证码、PIN码、“蓝牙设备地址”(Bluetooth DeviceAddress)、“简单配对哈希C”(Simple Pairing Hash C)或“简单配对随机数发生器R”(Simple Pairing Randomizer R)。主设备与外围设备之间通过带外音频通信通道进行的通信为双向通信，其采用的调制方式包括曼彻斯特编码、频移键控(FSK)或相移键控(PSK)。蓝牙收发器的开关通过带外音频通信通道进行控制，以降低蓝牙收发器的功耗和辐射。主设备与外围设备采用蓝牙配对协议进行配对，所述蓝牙配对协议包括传统配对(Legacy Pairing)、安全简单配对(Secure Simple Pairing，SSP)或带外(OOB) 配对。主设备和外围设备包括计算设备，计算设备包括台式计算机、手机、个人数字助理(PDA)、上网本、平板电脑、笔记本电脑、电子阅读器、数字音乐播放器、数字视频播放器、游戏控制台或计算电路。外围设备起初处于休眠模式，主设备被配置为通过经带外音频通信通道发送指令的方式唤醒外围设备。该指令包括频率音调或数据包。外围设备起初处于休眠模式，其被配置为在检测到主设备存在时进行自我唤醒。
一般而言，在另一方面，本发明提供了一种对蓝牙设备进行安全配对的方法，包括以下步骤。首先，提供包含音频接口和蓝牙收发器的主设备。随后，提供包括音频接口和蓝牙收发器的外围设备。接下来，通过物理连接主设备和外围设备的相应音频接口，建立两者相互间的连接。随后，通过经由已连接的音频接口建立一个带外音频通信通道的方式，在主设备与外围设备之间进行通信。接下来，通过带外音频通信通道，在主设备与外围设备之间交换蓝牙验证数据。最后，通过在相互间建立经验证且有密码保护的带内蓝牙通信通道，实现主设备与外围设备之间的相互配对。带内蓝牙通信通道通过用相应的被交换的蓝牙验证数据对相应蓝牙收发器进行开启和初始化的方式建立。
本发明的优势可能包括下文所述的一项或多项优势。本系统提供了一种简单且高效的方式来实现无线设备配对，其中，控制副信息通过一个带外音频通道进行传输。
本发明的一种或多种实施例的详情在下文附图和说明中给出。从下文中对优选实施例、附图的说明以及从权利要求中，可以明显看出本发明的其他特征、目的和优势。
附图简要说明
图1示出了主设备100和外围设备110，两者均配有蓝牙收发器和音频接口；以及
图2示出了蓝牙配对过程的一个示例性操作流程，其中验证信息通过音频接口进行交换。
发明的详细说明
本发明描述了以一种简单且安全的方式使用带外(OOB)音频通道在蓝牙设备之间进行配对的系统和方法。
本发明中的系统包括主设备和外围设备，两者均配有音频接口和蓝牙收发器。起初，主设备与外围设备尚未配对。主设备与外围设备上的蓝牙收发器均可保持在关(OFF)的状态，以减少功耗和辐射。当主设备和外围设备希望配对，以通过无线蓝牙链接进行通信时，它们会通过音频接口被连接在一起。蓝牙配对所需的验证数据及其他控制信息通过音频接口进行交换。当配对数据准备好时，两侧的蓝牙收发器会被开启，并用配对数据进行初始化，以建立经验证且有密码保护的数据通信通道。
图1示出了主设备100和外围设备110。主设备100包括蓝牙收发器101、音频接口103和微控制器102。微控制器102负责设备100内的其他组件之间的数据处理和控制。外围设备110包括蓝牙收发器111、音频接口113和微控制器112。微控制器112 负责设备110内的其他组件之间的数据处理和控制。
外围设备110被配置为插接到主设备100内，并且以有线连接的方式，分别通过音频接口113、103进行通信。外围设备110还能够通过蓝牙无线连接与主设备100进行通信。在可进行蓝牙通信之前，两个设备之间必须进行配对操作，其中会交换验证数据，以相互验证，并建立一个共同的链接密钥，以对连接进行密码方式保护。
有两种不同的配对方法：传统配对(Legacy Pairing)和安全简单配对(SecureSimple Pairing，SSP)。顾名思义，传统配对是一种较老的方法，在2.1版之前的《蓝牙核心规范》(Bluetooth Core Specifications)中使用。在此方法中，验证密钥由一个长度在1字节到16字节之间的共有保密PIN码生成。传统配对方法现在被视为相对较弱，许多设备都在使用较弱的PIN码。例如，许多免提设备使用0000或1234作为PIN码。安全简单配对(SSP)是在2.1版的《蓝牙核心规范》中引入的一种新的配对方法，用以对传统配对方法加以改进。对于采用2.1版或更高版规范的任何设备来说，SSP为必备方法，但是，为实现兼容，也要求能支持传统配对。根据主设备与外围设备的输入/输出能力，SSP中有4种配对模式：直接工作(Just Works)、数值比较(Numeric Comparison)、万能密钥输入(Passkey Entry)和带外(OOB)。在本发明中，配对方法可以是在《蓝牙核心规范》2.1版之前使用的传统配对方法，或者也可以是在《蓝牙核心规范》2.1版中规定的安全简单配对方法。
图2示出了一个示例性操作流程，其中设备100、110被配对。开始时，主设备与外围设备使其蓝牙收发器均处于关闭状态，以降低功耗(201)。外围设备110可处于休眠模式。当外围设备110经音频接口被插接到主设备(202)时，主设备100会检测到外围设备的存在(203)。然后主设备100可以经音频接口以频率音调或数据包的形式发送一个指令，以开启外围设备110，将其唤醒。作为可替代方式，外围设备110可在检测到主设备100存在时进行自我唤醒，例如，在音频通道内存在一个诸如频率音调或直流偏置电压电平等的信号时进行自我唤醒(204)。验证信息和其他副信息均通过音频接口进行交换(205)。信息中包括设备标识(Device ID)或蓝牙设备地址、PIN 码或简单配对哈希C和简单配对随机数发生器R。在这一配对数据交换之后，主设备 100与外围设备110均开启其蓝牙收发器，并用配对数据进行初始化(206)。蓝牙收发器101、111随后通过诸如传统配对或安全简单配对等配对协议建立蓝牙连接(207)。在建立数据通道之后，两个设备之间的数据通信可通过其蓝牙连接实现。
已描述了本发明的若干实施例。尽管如此，应该理解的是，在不背离本发明的精神和范围的条件下，可以进行各种改动。相应地，其他实施例也属于以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种安全配对的蓝牙设备的系统，包括：
主设备，其包括音频接口和蓝牙收发器；
外围设备，其包括音频接口和蓝牙收发器；
其中，当所述主设备和所述外围设备未安全配对时，所述主设备的蓝牙收发器和所述外围设备的蓝牙收发器处于关闭状态；
其中所述主设备和所述外围设备被配置为通过物理连接其相应的音频接口的方式，进行相互连接，并通过经由已连接的音频接口建立带外音频通信通道的方式进行相互通信；
其中所述主设备和所述外围设备被配置为通过所述带外音频通信通道交换蓝牙验证数据；和
其中所述主设备和所述外围设备被配置为通过相互间建立经过验证的且有密码保护的带内蓝牙通信通道来实现相互间的安全配对，且其中所述带内蓝牙通信通道是通过使所述主设备中的蓝牙收发器和所述外围设备中的蓝牙收发器从所述关闭状态转换为开启状态，并用相应的被交换的所述蓝牙验证数据对相应的蓝牙收发器进行初始化来建立。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述主设备与所述外围设备之间的所述带内蓝牙通信通道是在所述外围设备检测到所述主设备的存在或所述主设备检测到所述外围设备的存在时自动建立的。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述蓝牙验证数据包括验证码、PIN码、“蓝牙设备地址”、“简单配对哈希C”或“简单配对随机数发生器R”中的一种。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述主设备与所述外围设备之间通过所述带外音频通信通道进行的通信为双向通信，其采用多种调制方式，所述调制方式包括曼彻斯特编码、频移键控FSK和相移键控PSK中的一种。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述蓝牙收发器的开关经由所述带外音频通信通道进行控制，以降低所述蓝牙收发器的功耗和辐射。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述主设备与所述外围设备采用蓝牙配对协议进行配对，所述蓝牙配对协议包括传统配对、安全简单配对SSP或带外OOB配对中的一种。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述主设备和所述外围设备包括计算设备，所述计算设备包括台式计算机、手机、个人数字助理PDA、上网本、平板电脑、笔记本电脑、电子阅读器、数字音乐播放器、数字视频播放器、游戏控制台或计算电路中的一种。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述外围设备起初处于休眠模式，且其中所述主设备被配置为通过经所述带外音频通信通道发送指令的方式唤醒所述外围设备。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述指令包括频率音调或数据包。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述外围设备起初处于休眠模式，且其中所述外围设备被配置为在检测到所述主设备存在时进行自我唤醒。
11.一种对蓝牙设备进行安全配对的方法，包括：
提供包括音频接口和蓝牙收发器的主设备，所述主设备的蓝牙收发器处于关闭状态；
提供包括音频接口和蓝牙收发器的外围设备，所述外围设备的蓝牙收发器处于关闭状态；
通过物理连接所述主设备和所述外围设备的相应的音频接口，建立两者相互间的连接；
通过经由已连接的音频接口建立带外音频通信通道的方式，在所述主设备与所述外围设备之间进行通信；
在所述主设备与所述外围设备之间通过所述带外音频通信通道交换蓝牙验证数据；
通过在相互间建立经验证的且有密码保护的带内蓝牙通信通道的方式，实现所述主设备与所述外围设备之间的相互配对，且其中所述带内蓝牙通信通道是通过使所述主设备中的蓝牙收发器和所述外围设备中的蓝牙收发器从所述关闭状态转换为开启状态，并用相应的被交换的所述蓝牙验证数据对相应的蓝牙收发器进行初始化的方式建立的。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述主设备与所述外围设备之间的所述带内蓝牙通信通道是在所述外围设备检测到所述主设备存在或所述主设备检测到所述外围设备存在时自动建立的。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述蓝牙验证数据包括验证码、PIN码、“蓝牙设备地址”、“简单配对哈希C”或“简单配对随机数发生器R”中的一种。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述主设备与所述外围设备之间通过所述带外音频通信通道进行的通信为双向通信，其采用的调制方式包括曼彻斯特编码、频移键控FSK或相移键控(PSK)中的一种。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述蓝牙收发器的开关经由所述带外音频通信通道进行控制，以降低所述蓝牙收发器的功耗和辐射。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述主设备与所述外围设备采用蓝牙配对协议进行配对，所述蓝牙配对协议包括传统配对、安全简单配对SSP或带外OOB配对中的一种。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述主设备和所述外围设备包括计算设备，所述计算设备包括台式计算机、手机、个人数字助理PDA、上网本、平板电脑、笔记本电脑、电子阅读器、数字音乐播放器、数字视频播放器、游戏控制台和计算电路中的一种。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述外围设备起初处于休眠模式，且其中所述主设备被配置为通过经所述带外音频通信通道发送指令的方式唤醒所述外围设备。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述指令包括频率音调或数据包。
20.如权利要求11所述的方法，其中所述外围设备起初处于休眠模式，且其中所述外围设备被配置为在检测到所述主设备存在时进行自我唤醒。
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