蓝牙作为一种新兴的短间隔无线通讯技巧已经在各个范畴得到普遍利用，它供给低本钱、低功耗、近间隔的无线通信，构成固定与移动装备通信环境中的个人网络，使得近间隔内各种信息设备能够实现无缝资源共享。
由于蓝牙通信标准是以无线电波作为媒介，第三方可能轻易截获信息，所以蓝牙技巧必需采用必定的安全维护机制，尤其在电子交易应用时。为了提供使用的安全性和信息的可信度，体系必须在应用层和链路层提供安全办法。
本文重点讨论了蓝牙信息安全机制的构成原理及相干算法，并指出其在安全性方面存在的不足与问题。由于对于大多数须要将保密放在首位来斟酌的运用来说，蓝牙现行标准所供给的数据安全性是不够的。蓝牙现行规范采用的128位密钥长度的序列的加密在某些情形下可以被破*解。本文同时提出了一种蓝牙安全机制的改良计划，即采用DES加密体制构建强壮的加钥算法，能够在盘算上证实此加密算法是安全可靠的。
1 蓝牙的安全机制
蓝牙采用的安全机制实用于对等通信情况，即双方以雷同方法实现认证与加密规程。链路层使用4个实体提供安全性：一个公然的蓝牙设备地址，长度为48bit；认证密钥，长度为128bit；加密密钥，长度为8～128bit；随机数，长度为128bit。以下重点讨论蓝牙安全机制的组成及相干算法。
1．1 随机数产生器
随机数发生器在蓝牙标准中有主要应用，例如在生成认证密钥和加密密钥中以及查询-应答计划中等。产生随机数的幻想办法是使用具有随机物理特征的真实随机数·发生器，例如某些电子器件的热噪声等，但是在实际应用中通常应用基于软件实现的伪随机数发生器。蓝牙体系对于随机数的要求是随机生成和非反复性。随机生成是指不可能以显明大于零的概率(对于长度为L位的蓝牙加密密钥，概率大于1／2L)估量出随机数值。
目前在众多类型的伪随机数发生器中，线性同余产生器(Linear Congruential Generator)被最普遍地研讨与应用。其表达式为：
Xn+1=Xn+c(modm) n0。
式中和c为常量，m为模数，均为正整数。Xn+c对m作模运算后得到Xn+1。开端时以某种方法给出一个种子数X0；然后应用前一个随机整数Xn天生下一个随机整数Xn+1，由此发生整数随机数列{Xn}。
1．2 密钥治理
蓝牙单元密钥长度不能由单元制作者预置，不能由用户设置。蓝牙基带标准规定不接受由高层软件给出的加密密钥以防止使用者完整把持密钥长度。
1．2．1 密钥类型
链路密钥是一个128位随机数，为通信双方或多方共享的临时性或半永久性密钥。半永久性链路密钥可以用于共享链路单元之间的几个相继认证过程中。临时密钥的典范运用是：在点对多点通讯情形下，同一信息需要安全地发往多个接受端，这时采用主单元密钥代替当前链路密钥。蓝牙标准定义了四种链路密钥：①结合密钥KAB；②单元密钥KA；③临时密钥Kmoster；④初始化密钥Kinit。此外还定义了加密密钥Kc，由当前链路密钥生成。对蓝牙单元来说，单元密钥KA在单元A中生成，依附于该单元，很少转变。结合密钥KAB。由单元A、B方共同生成。临时密钥Kmoster仅在当前会话中使用，也称主单元密钥。初始化密钥Kinit是蓝牙初始化过程中使用的链路密钥。该密钥由一个随机数、一个通常为十进制的PIN码以及发起单元的蓝牙装备地址BD_ADDR生成。PIN码可由用户选择也可以是随蓝牙一起提供的固定数。目前大多数应用中PIN码为4位的10进制数，无法提供较高的安全性。蓝牙基带标准请求PIN码长度为1～16位，因此建议尽量使用较长的PIN码以加强安全性。
1．2．2 密钥生成与初始化
每一对要实现认证与加密的蓝牙单元都要履行初始化进程，其过程由以下几部分组成：
(1)生成初始化密钥Kinit:为初始化过程中临时使用的链路密钥。该密钥由E22算法及相关参数生成，其生成原理图见图1。E22输出的128位初始化密钥Kinit用于链路密钥的交流分配过程。如果申请者与证实者没有交流过链路密钥，则Kinit用于认证过程，否则不再使用。该过程必需保证能够抵抗必定的攻击，例如攻击者使用大批的假蓝牙地址BD_ADDR来测试大批PIN等，如果设备地址固定则每次测试PIN码等候间隔应按指数增添。
(2)认证：假如两个单元没有产生过通讯接洽，则使用初始化密钥作为链路密钥。每次执行认证规程，均宣布新随机参数AU_RANDA。在相互认证中，首先在一个方向履行认证规程，成功后再反向执行认证。认证胜利将得到一个帮助参数ACO，即认证加密偏移量。它将用于生成加密密钥。
(3)生成单元密钥：单元密钥在蓝牙单元首次运行时生成，依据E21算法生成并几乎不转变。初始化时，通信双方通常选用一个内存容量较少的单元中的密钥作为链路密钥。
(4)生成联合密钥：联合密钥是分离在A单元与B单元中生成的两个数字的组合。生成过程是：每个单元生成随机数LK_RANDA与Lk_RANDB，采用E21算法与各自的随机数、蓝牙地址分辨生成另一个随机数LK_KA与LK_KB，并通过其他操作后两个单元得出联合密钥。然后开端互相认证过程以确认交互过程胜利。结合密钥交流分配成功后将废弃使用原链路密钥。
(5)生成加密密钥：加密密钥Kc依据E3算法，由当前链路密钥、96bit加密偏移数COF和一个128bit随机数导出。
(6)点对多点配置情况：实际上，主单元通知几个从单元使用一个公共链路密钥广播加密新闻，在多数应用中这个公共链路密钥是临时密钥，记为Kmoster。Kmoster被从单元接受后便可用它替换原链路密钥Kmoster的产生过程为：首先由2个128bit的随机数RAND1与RAND2生成新链路密钥Kmoster：Kmoster=E22(RAND1，RAND2，16)。然后将第3个随机数RANO发往从单元，主、从单元根据E22、当前链路密钥及RAND盘算出128bit捣乱码overlay，主单元将overlay与新链路密钥按位异或成果发送给从单元，再计算出Kmoster。在后面的认证过程中盘算出一个新ACO值。
1．3 加密规程
对有效载荷加密通过流密码算法实现，流密码与有效载荷同步，加密原理图如图2所示。流密码体系由三部分组成：履行初始化、生成密钥流比特、执行加密或解密。有效载荷密钥生成器将输进比特流以适当次序进行组合并移人密钥流生成器使用的4个线性反馈移位存放器LFSR。第二部分是重要部分，密钥流比特根据Massey与Rueppel提出的方法生成，该方法经过一定的剖析与研讨，证实具有较高的加密性能，但此法可能受到相关攻击，其改良方法在本文后面具体描写。
1．3．1 约定加密密钥长度与加密模式
实现基带尺度的蓝牙装备须要定义最大容许密钥字节长度Lmax，1Lmax16。在天生加密密钥前，有关单元必需约定密钥实际长度。主单元将建议值L(M)sug发送给从单元。假如L(S)minL(M)min并且从单元支撑建议值，从单元对此给予确认，L(M)min成为本链路加密密钥长度值。假如不满足上述条件，从单元将向主单元发送新的建议值L(S)min〈L(M)sug，主单元对此建议评估。反复此规程直至达成协定或一方废弃商谈。
1．3.2 加密算法
加密规程使用流密码加密。加密系统使用线性反馈移位存放器(LFSRs)，寄存器系统输出由具有16状况的有限状态机进行组合，状况机输出或是密钥流序列，或是初始化阶段的随机初始值。加密算法需要提供加密密钥、48bit蓝牙地址、主单元时钟比特与128bit随机数RAND，加密算法原理如图3所示。
其中，有4个LFSR(LFSR1，…，LFSR4)，比专长度分辨为L1=25，L2=31，L3=33，L4=39，反馈多项式(抽头多项式，特点多项式)。4个存放器长度之和是128bit。
这些多项式都是本原多项式，汉明重量都为5，可以统筹天生序列具有良好的统计特征与减少硬件实现所须要的异或门数两方面的请求。
令xit表现LFSRit时刻输出状况比特，由四元组(x1t，…，x4t)得Yt为：
，式中Yt为整数，取值为0，1，2，3或4。加法生成器输出由下述方程给出：
式中，T1〔.〕与T2〔.〕是GF(4)上两个不同的线性双射。
密钥流生成器工作前需要为4个LFSR(总共128bit)装载初始值并且断定C0与C-14bit值，这些132bit初始值使用密钥流生成器由规定的输入量导出，输入量分离为密钥Kc、48bit蓝牙地址和26bit主单元时钟CLK26-1。加密算法初始化过程：(1)由128bit加密密钥Kc生成有效加密密钥，记为K’c，令L(1L16)为用8bit组数目表现的有效密钥长度，则K’c(x)=g2(L)(x)(Kc(x)modg1(L)(x))。(2)将K’c、蓝牙地址、时钟以及6bit常数111001移入LFSR。加密算法初始化完成后，从加法组合器输出密钥流用于加密／解密。
1．3．2 认证
蓝牙技术认证实体使用所谓查验-应答方案。通过两步协定，申请者是否知道机密密钥使用对称密钥进行证实。这意味着，一个准确的申请者／证实者对，在查验-应答方案中将共享雷同密钥Kc，证实者对于申请者是否能够认证算法K1认证随机数AU_RANDA，并返回认证成果SERS，进行查验。其认证及加密密钥生成函数可以参考相关材料，此处略。?
2 蓝牙安全机制的方案改进
现有蓝牙安全机制重要存在两个重要问题。一个是单元密钥的应用问题：在鉴权和加密进程中，由于单元密钥没有转变，第三方应用此密钥来窃取信息。128位密钥长度的E0序列加密在某些情形下可通过不是很庞杂的方式破*解。另一个是蓝牙单元供给的个人辨认码(PIN码)的不安全问题：由于大多数利用中PIN码是由4位十进制数组成，所以采取穷举法很轻易攻击胜利。
战胜这些安全性问题的解决办法除了增添PIN码长度外，要害是要采用更为强壮的加密算法，如用数字加密标准DES取代序列加密算法。DES是一种块加密方式，加密过程是针对一个个数据块进行的。在DES算法中，原始信息被分为64位的固定长度数据块，然后应用56位的加密密钥通过置换和组合办法生成64位的加密信息。与蓝牙序列的加密算法不同，数学上可以证实块加密算法是完整安全的。DES块密码是高度随机和非线性的，其发生的密文和明文与密钥的每一位都相干。DES的可用加密密钥数目非常宏大，应用于每一位明文信息的密钥都是从这个宏大数目的密钥中随机产生的。DES算法已经被广泛采用并以为非常可靠。采用DES加密算法的蓝牙技巧可以将蓝牙运用到安全性较高的应用中往，例如电子金融交易、ATM等。
2．1 DES算法
1977年美国国度尺度局颁布了联邦数据加密标准DES。由于DES算法保密性强，迄今尚无切实可行的破译方式，所以DES得到了普遍地利用。DES是一种分组密码体制，它将明文按64位一组分成若干组，密钥长为56位。其基础思想是采取变换的组合与迭代，将明文中的各组变为密文组。
在DES系统中，乘积变换是加密过程的核心，持续进行16次操作，每次更新一组密钥。移位变换B是移位变换A的逆变换。图4为DES体制加密流程，图的右侧表现DES系统的密钥生成过程。初始密钥是一串64bit的随机序列。经过重复移位变换，产生16组子密钥(K1～K16)，每组子密钥用于一次乘积变换。所谓初始重排(IP)就是打乱输进分组内比特原有排列顺序，重新排列，排列方式是固定的。
DES的一次乘积变换运算步骤为：(1)把64bit输入码分成左右两组，每组32位比特，分辨用Li-1和Ri-1代表。其中i代表第i次乘积变换，i=1～16。(2)把该次乘积变换输入分组的右组32位比特变为输出分组的左组32位比特，即Li=Ri-1。(3)输入分组右组32位比特经过扩大操作变为48位比特*码组。(4)扩大变换输出的48位比特与子密钥Ki的48位比特按模2相加，输出的48位比特分为8组，每组6位。(5)把每组6位比特进行密表(S-盒)替换，产生4位比特。输入的6位比特的第1、6两位决议密表内所要选择的行数，其余4位决议密表内的列数。(6)把8组密表输出合并为32位比特，然后与本次乘积变换输进左组Ci-1按位模2相加，即可得到第i次乘积变换的右32位输出Ri。
2．2 DES算法的特色
DES算法具有以下特色：
(1)DES的保密性仅仅取决于对密钥的保密，算法公然。
(2)在目前程度下，不知道密钥而在一定的时光内要破译(即解析出密钥K或明文)是不可能的，至少要树立2 56或2 64个项的表，这是现有资源无法实现的。
(3)由于雪崩效应，无法分而破之，一位的变更将引起若干位同时变更。
综上所述，由DES算法构建的蓝牙安全机制是可靠的，采取穷举方法攻击是不现实的。假设有一台每秒完成一次DES加密的机器要用将近1000年的时光才干破译这个密码。
以上算法能够坚持数据加密进程中与蓝牙尺度所需参数的一致性，它与蓝牙算法发生的单元密钥在时光实现上同处一个数目级别，符合蓝牙规范请求。
本文首先重点讨论了蓝牙信息安全的机制构成，对其各部分的算法及实现步骤进行了具体阐明。然后对现有蓝牙规范安全性做了必定的评估，
并依据其不足提出了由DES算法构建新的安全计划，能够给蓝牙在安全性要求较高的应用上提供一个安全设计的改良参考。
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