CN111614459B - 针对ble密钥协商协议的侧信道分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种针对BLE会话密钥协商协议的侧信道分析方法，通过采集BLE设备运行计算会话密钥算法(AES‑128)时的电磁辐射信息，结合嗅探技术抓取到的密钥协商关键参数，使用相关性功耗分析(CPA)恢复密钥LTK。本发明以嗅探技术和CPA为基础攻击工具，根据BLE加密通信协议的结构，构造综合攻击方法，通过该方法恢复已配对蓝牙设备所共享的LTK，进而恢复会话密钥(SK)和解密BLE设备间的所有通信数据包。

Description

针对BLE密钥协商协议的侧信道分析方法
技术领域
本发明涉及的是一种计算机安全领域的技术，具体是一种针对低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)协议的侧信道分析方法，适用于差分功耗分析(DPA)、相关性功耗分析(CPA)和模板攻击(TA)。
背景技术
低功耗蓝牙是一种典型的无线通讯技术，它使用2.4GHz无线电频率，可用来让移动设备在短距离内交换数据。BLE设备通过配对的方式实现鉴权，完成配对后的设备共享一个长期密钥(LTK)，可通过LTK和加密技术保障所传输数据的安全。在加密之前，设备之间的会话通过明文传输，使用嗅探技术(sniffing)可跟踪并抓取BLE设备之间的通讯内容。
现有技术针对BLE协议的攻击方案的特点和缺陷在于：1)仅适用于蓝牙4.2版本以前的传统配对过程，无法攻击蓝牙4.2之后使用的“安全连接配对”过程；2)攻击的目标局限于配对过程，而配对过程在相当长的时间内只会发生一次，攻击方法的实用性不强。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种针对BLE会话密钥协商协议的侧信道分析方法，以嗅探技术和CPA为基础攻击工具，根据BLE加密通信协议的结构，构造综合攻击方法，通过该方法恢复已配对蓝牙设备所共享的LTK，进而恢复会话密钥(SK)和解密BLE设备间的所有通信数据包。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于BLE密钥协商协议的侧信道分析方法，通过采集BLE设备运行计算会话密钥算法(AES-128)时的电磁辐射信息，结合嗅探技术抓取到的密钥协商关键参数，使用相关性功耗分析(CPA)恢复密钥LTK。
所述的BLE密钥协商协议是指：配对设备为了保障数据传输安全而建立加密链接的过程。根据公开的蓝牙协议标准，包括以下几个步骤：
0)两设备完成配对过程后，通过密钥分配协议共享一个长期存储的LTK用于后续两设备重新连接时的加密过程，当后续每次建立连接时执行该密钥协商步骤并生成一个会话密钥SK。
1)两设备生成并明文交换随机数形式的初始向量IV和分散因子SKD。
所述的初始向量IV＝IVm||IVs；用于计算会话密钥的分散因子SKD＝SKDm||SKDs，其中：主设备，即连接发起设备生成的随机数为IVm和SKDm，从设备生成的随机数为IVs和SKDs，||为拼接处理。
2)两设备使用AES加密生成会话密钥SK＝AESLTK(SKD)，即加密的明文输入为分散因子SKD，加密密钥为LTK，密文输出为SK。
3)两设备后续的通讯使用SK作为密钥，使用AES-CCM算法进行加密，以保障数据传输安全。
所述的电磁曲线，采用但不限于近场电磁探头捕获，经模数变换后显示、存储和/或分析，具体为在密钥协商算法执行时(例如运行AES-128加密算法)，以近场电磁探头接近目标BLE设备以采集电磁曲线。
所述的嗅探技术是指：使用嗅探装置从空口数据中捕获BLE广播及连接过程数据包，并依据BLE标准中定义的数据格式对数据包进行解析，得到加密初始向量和密钥协商参数信息。
所述的嗅探装置包括但不限于无线电收发模块、符合蓝牙通讯协议的可编程芯片开发板，其中：可编程芯片开发板内置捕获程序以通过收发模块捕获特定信道内的蓝牙通讯数据包用于显示、存储和/或分析。
所述的解析是指：从数据包中筛选出含有密钥协商参数的蓝牙数据包ENC_REQ和ENC_RSP，再根据标准蓝牙协议定义的数据包格式提取出初始向量IV和分散因子SKD。
所述的CPA攻击是指：采集随机明文或密文和真实密钥key进行加密或解密运算时的电磁辐射能量迹T；使用分而治之的策略逐字节猜测密钥，计算中间值(例如S盒的输出)，根据功耗泄漏模型(例如比特模型、汉明重量、汉明距离等)，计算得到预测能量消耗D；通过计算预测能量消耗D与电磁辐射能量迹T对应各个时刻的皮尔森(pearson)相关系数，以皮尔森相关系数的绝对值最大时对应的密钥猜测作为正确猜测，最后得到全部字节恢复出的完整密钥。
技术效果
本发明整体解决了现有技术无法分析具有安全连接配对方式的BLE加密的技术问题；本发明结合侧信道分析技术与嗅探技术，仅使用算法执行过程中的电磁泄漏曲线和嗅探到的协商参数即可成功恢复BLE设备之间的长期密钥LTK。
与现有技术相比，本发明针对BLE设备建立连接的过程，具有隐蔽性，可在用户完全不知情的情况下解密BLE设备间的通讯数据包。在未有任何侧信道防护的情况下进行试验，整个分析系统的CPA分析曲线条数在20万条以内，获取到足够数量的曲线后的分析时间在1小时以内。且本方法不仅适用于CPA，也可使用模板攻击(TA)，通过对已有设备建模，可使得实际所需的攻击曲线大幅降低。
附图说明
图1为本发明方法示意图；
图2为嗅探与采集算法流程图。
具体实施方式
本实施例涉及一种用于BLE密钥协商协议的侧信道分析系统，包括：嗅探解析模块、电磁信息采集模块和密钥恢复模块，其中：嗅探解析模块捕获BLE设备之间的通讯数据包，然后根据标准数据格式解析出关键的密钥协商参数输出至密钥恢复模块；电磁信息采集模块读取SK计算过程的电磁泄漏信息输出至密钥恢复模块；密钥恢复模块结合AES算法输入和电磁泄漏信息恢复LTK。
所述的嗅探解析模块包括：嗅探装置和分析单元，其中：嗅探装置将捕获到的蓝牙通讯包传输给分析单元，分析单元控制嗅探装置的启停并根据蓝牙协议标准定义从蓝牙通讯包中解析出初始向量IV和分散因子SKD。
所述的电磁信息采集模块包括：高精度近场电磁探头和示波器，其中：电磁探头与示波器相连并传输捕获到的电磁辐射信息，示波器与嗅探解析模块相连并传输经过数字化的电磁辐射信息进行存储。
所述的密钥恢复模块根据捕获到的密钥协商参数与电磁辐射信息使用CPA分析恢复出LTK。
如图1所示，本实施例使用侧信道分析中的电磁分析方法恢复BLE建立会话密钥协议中使用的长期密钥LTK：通过发起多次蓝牙连接建立请求触发建立会话密钥协议的执行，嗅探获取通信数据包并将嵌入式设备运行BLE建立会话密钥协议执行时的电磁辐射曲线集存储在计算机中，利用侧信道分析系统对该曲线集进行分析，具体包括以下步骤：
0)使用自动化脚本控制BLE循环发起连接建立与断开请求，触发BLE建立会话密钥协议的执行。
1)采集嵌入式BLE设备中密钥协商协议执行时的电磁泄漏信息，该步骤与嗅探过程同步执行，形成初始曲线集G。
优选地，当CONNECT_REQ、ENC_REQ或ENC_RSP任一数据包丢失，则将步骤1)中采集到的此条能量迹舍弃，将剩余曲线更新为G’；若数据包均未丢失，则将此条能量迹保留。
2)使用嗅探解析模块捕获建立会话密钥执行时的空口数据包，按照数据包标准格式解析出SKDm、SKDs、IVm和IVs，进而拼接得到初始向量IV和分散因子SKD，将分散因子SKD和曲线集输出至密钥恢复模块。
如图2所示，因为实际攻击过程中很可能遇到其他BLE设备建立连接的干扰，嗅探解析模块根据数据包的访问地址域筛选出被攻击设备的数据包，通过数据包的操作码(OpCode)筛选出ENC_REQ与ENC_RSP数据包后从中提取出访问地址，并与CONNECT_REQ中的访问地址进行比较，当一致时通过电磁信息采集模块采集目标设备的电磁曲线。
所述的筛选包括：①根据数据包的操作码OpCode中ENC_REQ的OpCode是0x03，ENC_ESP是0x04从大量数据包中筛选出ENC_REQ和ENC_RSP；②从捕获到的CONNECT_REQ数据包中获取访问地址，根据主设备与从设备的物理地址进行对比判断该CONNECT_REQ是否为被攻击设备的连接请求，从而找到目标设备的CONNECT_REQ数据包。
3)使用密钥恢复模块对曲线集中的AES的S盒执行的关键部分进行密钥分析，具体为：对密钥LTK的16个字节逐个猜测，遍历每字节k’的256种可能，结合分散因子SKD计算S盒的输出out’，使用汉明重量模型得到预测能量消耗D；再使用预测能量消耗D和曲线集计算Pearson相关系数，具体为：
Figure BDA0002515054400000041
其中：N为电磁曲线的数量；最大的Pearson相关系数对应的字节k’，即为正确的密钥字节；当全部16字节分析后即得到完整密钥LTK。
上述实施例完成了对BLE建立密钥协议的侧信道分析，利用侧信道信息和嗅探技术恢复已绑定的蓝牙设备间共享的长期密钥LTK。截至目前，没有现有技术对BLE的安全协议从侧信道角度进行安全分析。在未有任何侧信道防护的情况下，整个分析系统的CPA分析曲线条数在20万条以内，获取到足够数量的曲线后的分析时间在1小时以内。且本方法不仅适用于CPA，也可使用模板攻击(TA)，通过已有设备建模，可使的实际所需的攻击曲线大幅降低。
经过具体实际实验，在nrf52840蓝牙开发板上，使用SoftDevice蓝牙协议栈，使用RF-U5-2电磁探头，以示波器的采样率200MS/s启动上述方法，采集到20万条电磁曲线，采集完成时间在110小时之内，使用CPA可以在1小时内恢复长期密钥LTK，进而结合初始向量IV可以解密被攻击设备的所有蓝牙数据包。
与现有技术相比，本方法适用范围更广，不受蓝牙配对方式的影响，适用于BLE4.0之后的所有标准协议版本，配对方式对攻击结果没有直接影响；攻击的每次建立连接均会执行的密钥协商过程，普适性更强。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种用于BLE密钥协商协议的基于侧信道分析系统的侧信道分析方法，其特征在于，所述侧信道分析系统，包括：嗅探解析模块、电磁信息采集模块和密钥恢复模块，其中：嗅探解析模块捕获BLE设备之间的通讯数据包，然后根据标准数据格式解析出关键的密钥协商参数输出至密钥恢复模块；电磁信息采集模块读取SK计算过程的电磁泄漏信息输出至密钥恢复模块；密钥恢复模块结合AES算法输入和电磁泄漏信息恢复长期密钥(Long Term Key,LTK)，该系统通过采集BLE设备运行计算会话密钥算法时的电磁辐射信息，结合嗅探技术抓取到的密钥协商关键参数，使用相关性功耗分析恢复密钥LTK；
所述的嗅探解析模块包括：嗅探装置和分析单元，其中：嗅探装置将捕获到的蓝牙通讯包传输给分析单元，分析单元控制嗅探装置的启停并根据蓝牙协议标准定义从蓝牙通讯包中解析出初始向量IV和分散因子SKD；
所述的电磁信息采集模块包括：高精度近场电磁探头和示波器，其中：电磁探头与示波器相连并传输捕获到的电磁辐射信息，示波器与嗅探解析模块相连并传输经过数字化的电磁辐射信息；
所述的密钥恢复模块根据捕获到的密钥协商参数与电磁辐射信息使用CPA分析恢复出LTK；
所述的相关性功耗分析，即利用侧信道分析系统对该曲线集进行分析，具体包括以下步骤：
0)使用自动化脚本控制BLE循环发起连接建立与断开请求，触发BLE建立会话密钥协议的执行；
1)采集嵌入式BLE设备中密钥协商协议执行时的电磁泄漏信息，该步骤与嗅探过程同步执行，形成初始曲线集G；当CONNECT_REQ、ENC_REQ或ENC_RSP任一数据包丢失，则将步骤1)中采集到的此条能量迹舍弃，将剩余曲线更新为G’；若数据包均未丢失，则将此条能量迹保留；
2)使用嗅探解析模块捕获建立会话密钥执行时的空口数据包，按照数据包标准格式解析出SKDm、SKDs、IVm和IVs，进而拼接得到初始向量IV和分散因子SKD，将分散因子SKD和曲线集输出至密钥恢复模块；
因为实际攻击过程中很可能遇到其他BLE设备建立连接的干扰，嗅探解析模块根据数据包的访问地址域筛选出被攻击设备的数据包，通过数据包的操作码OpCode筛选出ENC_REQ与ENC_RSP数据包后从中提取出访问地址，并与CONNECT_REQ中的访问地址进行比较，当一致时通过电磁信息采集模块采集目标设备的电磁曲线；
所述的BLE密钥协商协议是指：配对设备为了保障数据传输安全而建立加密链接的过程，包括以下几个步骤：
0)两设备完成配对过程后，通过密钥分配协议共享一个长期存储的LTK用于后续两设备重新连接时的加密过程，当后续每次建立连接时执行该密钥协商步骤并生成一个会话密钥SK；
1)两设备生成并明文交换随机数形式的初始向量IV和分散因子SKD；
2)两设备使用AES加密生成会话密钥SK＝AESLTK(SKD)，即加密的明文输入为分散因子SKD，加密密钥为LTK，密文输出为SK；
3)两设备后续的通讯使用SK作为密钥，使用AES-CCM算法进行加密，以保障数据传输安全；
所述的嗅探技术是指：使用嗅探装置从空口数据中捕获BLE广播及连接过程数据包，并依据BLE标准中定义的数据格式对数据包进行解析，得到加密初始向量和密钥协商参数信息；
所述的初始向量IV＝IVm||IVs；用于计算会话密钥的分散因子SKD＝SKDm||SKDs，其中：主设备，即连接发起设备生成的随机数为IVm和SKDm，从设备生成的随机数为IVs和SKDs，||为拼接处理；
电磁曲线，采用近场电磁探头捕获，经模数变换后显示、存储和/或分析，具体为在密钥协商算法执行时，以近场电磁探头接近目标BLE设备以采集电磁曲线；
所述的嗅探装置包括：无线电收发模块、符合蓝牙通讯协议的可编程芯片开发板，其中：可编程芯片开发板内置捕获程序以通过无线电收发模块捕获特定信道内的蓝牙通讯数据包用于显示、存储和/或分析；
所述的解析是指：从数据包中筛选出含有密钥协商参数的蓝牙数据包ENC_REQ和ENC_RSP，再根据标准蓝牙协议定义的数据包格式提取出初始向量IV和分散因子SKD。
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