【Android蓝牙-8】蓝牙安全机制全面解构：加密、认证与数据保护

1. 蓝牙安全基础

蓝牙安全架构简介

蓝牙技术作为当今最普及的短距离无线通信协议，其安全架构设计围绕三个核心目标：机密性、认证性和授权性。蓝牙安全架构采用了分层设计，从物理层到应用层都实现了不同程度的安全措施。在物理层，使用跳频扩频技术提供基础防干扰能力；在链路层，实现设备认证和数据加密；而在应用层，则通过授权机制控制资源访问。

安全机制的发展演进

蓝牙安全机制随协议版本升级而不断强化。早期版本（1.0-2.0）采用相对简单的配对机制，安全性较弱；蓝牙2.1引入了SSP（Secure Simple Pairing）大幅提升了配对安全性；蓝牙4.0引入低功耗（LE）模式后，初期采用了简化的安全机制；蓝牙4.2则引入了LE Secure Connections，显著增强了安全性；蓝牙5.0及以后版本继续优化安全架构，提供更强的加密和隐私保护功能。这种演进反映了应对新威胁的持续努力。

2. 配对与绑定机制详解

传统蓝牙配对机制 Legacy Pairing (BR/EDR & LE)

Just Works、Passkey Entry、Out of Band 模式讲解

Legacy Pairing提供了三种主要配对模式：

• Just Works：最简便但安全性最低的方式，无需用户交互即可完成配对。适用于无显示或输入能力的设备，但无法防御中间人攻击。
• Passkey Entry：要求用户在一个或两个设备上输入6位数字PIN码。提供中等安全性，可部分抵抗中间人攻击，但仍存在理论上的暴力破解风险。
• Out of Band (OOB) ：利用NFC等替代通道交换认证信息，安全性最高，能有效防御无线信号拦截，但要求设备支持额外通信通道。

密钥生成与交换流程

Legacy Pairing的密钥生成过程相对简单：首先生成临时密钥（TK），在Just Works模式下TK为默认值"0"，在Passkey Entry模式下TK为用户输入的6位数字，在OOB模式下TK通过外部渠道交换。随后，设备使用TK和随机数生成短期密钥（STK）。最后，利用STK加密传输长期密钥（LTK），LTK将用于后续通信加密。

安全弱点分析

Legacy Pairing存在显著安全弱点：Just Works模式完全不防御主动攻击；Passkey Entry的6位数字强度有限，理论上可被暴力破解；配对过程中关键参数明文传输，易受窃听；加密强度受限，使用较简单的算法；且密钥分发过程安全性依赖于初始配对的安全性，存在单点失效风险。这些弱点在实际应用中造成了众多安全漏洞。

LE Secure Connections

工作原理与基本流程

LE Secure Connections采用ECDH（椭圆曲线Elliptic Curve Diffie-Hellman）密钥协商协议，使通信双方即使在不安全信道上也能建立共享密钥。其基本流程包括四个阶段：

1. 功能交换：设备互通支持的配对功能
2. 公钥交换：通过P-256椭圆曲线算法交换公钥
3. 认证阶段：根据选定配对方法验证双方身份并确认公钥未被篡改
4. 密钥计算：各自通过ECDH算法和自身私钥计算共享密钥，生成LTK

配对方式介绍

LE Secure Connections 保留了与 Legacy 相似的四种配对方式，但背后的实现机制发生了显著变化，尤其在安全性上：

• Numeric Comparison：两端设备各自显示一个 6 位数字，用户确认数字是否一致。使用公钥认证，能有效抵御中间人攻击。
• Just Works ：省略用户交互，但仍使用 ECDH 算法加密数据。虽然通信是加密的，但缺乏身份验证，因此无法防止中间人攻击。
• Passkey Entry ：用户在一端输入或确认另一端显示的 6 位 PIN 码，协议层通过 逐位比较（bitwise check）来验证，增强了中间人攻击的防护能力。
• Out of Band (OOB) ：通过 NFC 等外部安全通道传递公钥，提供最高级别的身份验证和数据保护能力。

相比 Legacy Pairing 的安全提升

LE Secure Connections 相比 Legacy Pairing 主要带来了以下安全增强：

• 使用 ECDH 密钥协商 替代了 Legacy 的明文或简化密钥交换机制，防止被动窃听；
• 新增 Numeric Comparison 等用户交互方式，实现了更可靠的身份验证；
• Passkey Entry 采用 逐位验证算法，提高中间人攻击难度；
• 密钥强度提升：使用 128 位加密密钥，并支持基于 AES-CCM 加密通信；
• 使用 AES-CMAC 替换了旧的 HMAC 算法，提升消息完整性验证能力；
• 统一 BR/EDR 与 BLE 安全架构（Security Manager），使双模设备更易于实现一致的安全策略。

3. 蓝牙连接级加密与数据保护

蓝牙连接是怎么加密的？BR/EDR vs LE 全解析

当你的应用成功连接到蓝牙设备后，别急着传输敏感数据！你需要确保这个连接是加密的。传统蓝牙(BR/EDR)和低功耗蓝牙(LE)使用不同的加密方式：

特性	传统蓝牙 (BR/EDR)	低功耗蓝牙 (LE)
加密算法	E0流密码	AES-CCM (更强)
密钥基础	链路密钥 (Link Key)	长期密钥 (LTK)
密钥长度	56-128位 (可变)	固定128位
安全性	较低	较高

蓝牙加密靠什么密钥撑起来？一文读懂密钥体系

想象一下蓝牙加密是一座有多道门的安全屋。每道门需要不同的钥匙，这些钥匙共同确保你的数据安全：

主要密钥及其作用：

根密钥 - 你的主钥匙

• LTK (长期密钥) : 低功耗蓝牙中的"主钥匙"，配对时生成，用于加密整个通信
• Link Key: 传统蓝牙中的对应物

辅助密钥 - 特殊功能钥匙

• IRK (身份解析密钥) : 把随机MAC地址"翻译"回真实身份，保护设备隐私
• CSRK (连接签名密钥) : 确保数据完整性，防止数据被篡改

注意：密钥在首次配对时生成并交换，之后会被安全存储。如果清除配对信息，这些密钥都会丢失，需要重新配对。

如何判断我现在的蓝牙连接有没有加密？

你不能简单地假设每次蓝牙连接都是加密的！以下是判断连接是否加密的实用方法：

// Android示例：检查连接是否加密
boolean isEncrypted = gatt.getConnectionState(device) == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED 
                    && gatt.isEncrypted();

// 如果发现连接未加密，你应该：
if (!isEncrypted) {
    // 1. 拒绝传输敏感数据
    // 2. 尝试提升安全级别
    boolean success = gatt.requestMtuSize(512); // 触发加密协商
    // 或者直接断开连接
    gatt.disconnect();
}

注意：永远在发送敏感数据前检查加密状态，不要假设之前建立的加密状态会一直保持！

万一中途加密掉了怎么办？教你监控手段

蓝牙连接的加密状态可能会在使用过程中发生变化。想象一下，你正在通过蓝牙传输信用卡信息，突然加密中断了 - 这会是安全灾难！以下是持续监控加密状态的最佳实践：

1. 注册加密状态监听器

// Android示例
gatt.registerEncryptionListener(new BluetoothGattCallback() {
    @Override
    public void onEncryptionChanged(BluetoothDevice device, int status) {
        if (status != BluetoothGatt.ENCRYPTION_ACTIVE) {
            // 加密状态改变，停止敏感操作
            stopSensitiveOperations();
        }
    }
});

2. 设置超时机制：不要让非加密连接长时间存在

// 设置加密状态检查计时器
Timer encryptionCheckTimer = new Timer();
encryptionCheckTimer.schedule(new TimerTask() {
    @Override
    public void run() {
        if (isConnected && !isEncrypted()) {
            // 连接存在但未加密超过阈值时间，断开连接
            disconnect();
        }
    }
}, 0, 30000); // 每30秒检查一次

3. 关键操作前重新验证：永远不要假设状态不变

void sendSensitiveData(byte[] data) {
    // 执行操作前重新检查加密状态
    if (!isEncrypted()) {
        notifyUser("无法安全传输数据");
        return;
    }
    // 继续安全传输...
}

实战中会遇到哪些加密问题，怎么解决？

蓝牙加密在实际应用中可能会遇到各种挑战。以下是你可能面临的常见问题及解决方案：

问题	现象	解决方案
重连后加密丢失	设备重连后处于非加密状态	• 检测并强制重新配对 • 建立连接后立即请求加密
设备兼容性问题	旧设备不支持高级加密	• 实现降级机制 • 针对低安全级别限制功能

如何只让"授权设备"访问我的蓝牙服务？

想象你的蓝牙设备提供多种服务，有些是敏感的（如健康数据），有些不是（如电池状态）。你可以在服务级别设置安全要求：

// Android服务安全级别设置示例
BluetoothGattService healthService = new BluetoothGattService(
    HEALTH_SERVICE_UUID,
    BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY
);

// 添加需要加密和验证的特征
BluetoothGattCharacteristic secureChar = new BluetoothGattCharacteristic(
    SECURE_CHAR_UUID,
    BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ | BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE,
    BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ_ENCRYPTED_MITM | 
    BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE_ENCRYPTED_MITM
);
healthService.addCharacteristic(secureChar);

服务安全策略可以包括：

• 安全级别要求：要求加密、认证或授权
• 访问控制列表：只允许特定设备访问
• 基于角色的访问：不同用户角色有不同访问权限

GATT安全还能怎么玩？细粒度控制详解

除了基本的读写权限，GATT还提供更精细的安全控制手段：

1. 描述符安全属性：为每个数据添加"元数据安全"

// 为特征添加自定义安全描述符
BluetoothGattDescriptor securityDesc = new BluetoothGattDescriptor(
    SECURITY_CONFIG_UUID,
    BluetoothGattDescriptor.PERMISSION_READ_ENCRYPTED | 
    BluetoothGattDescriptor.PERMISSION_WRITE_ENCRYPTED
);
characteristic.addDescriptor(securityDesc);

2. 客户端特征配置：控制谁能接收通知 通过CCC描述符，你可以要求只有加密连接才能订阅通知，防止数据泄露。

3. 多层安全：结合多种保护措施 真正安全的应用会将GATT安全与其他措施结合：

• 传输层加密（我们讨论的蓝牙加密）
• 应用层加密（额外的数据加密）
• 用户认证（应用内登录）
• 数据完整性检查（哈希验证）

4. Android BLE 安全实践

安全连接实现

配对模式选择

在Android BLE开发中，配对模式选择直接影响连接安全性。开发者可通过createBond()方法触发配对，并使用setPin()或setPairingConfirmation()方法实现不同的配对模式。对于敏感应用，应优先选择以下配对模式：

• 对于有显示能力的设备：Numeric Comparison模式最为安全
• 对于有输入能力的设备：Passkey Entry提供较好的安全性
• 对于无输入输出能力设备：考虑是否可实现OOB模式，若不可行再降级至Just Works

以下代码展示如何在Android中设置优先配对模式：

// 设置优先使用安全连接
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.O) {
    bluetoothDevice.createBond(BluetoothDevice.TRANSPORT_LE);
    // 对于Android 8.0+，可以指定使用LE Secure Connections
    BluetoothAdapter.getDefaultAdapter().setLePairingMode(
        BluetoothAdapter.PAIRING_VARIANT_PASSKEY_CONFIRMATION);
}

安全参数配置

Android提供了多种API配置BLE连接安全参数。关键设置包括：

1. 加密要求:

// 请求加密连接
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP) {
    bluetoothGatt.requestConnectionPriority(
        BluetoothGatt.CONNECTION_PRIORITY_HIGH);
    // 请求更高安全级别
    int bondState = bluetoothDevice.getBondState();
    if (bondState != BluetoothDevice.BOND_BONDED) {
        bluetoothGatt.beginReliableWrite();
    }
}

2. 权限级别设置:

BluetoothGattCharacteristic characteristic = service.getCharacteristic(CHAR_UUID);
// 设置需要加密才能读取
characteristic.setPermissions(
    BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ_ENCRYPTED |
    BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE_ENCRYPTED);

3. 认证要求:

// 针对敏感操作，确保认证和加密
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP) {
    int properties = BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ |
                     BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_WRITE;
    int permissions = BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ_ENCRYPTED_MITM |
                     BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE_ENCRYPTED_MITM;
    characteristic.setProperties(properties);
    characteristic.setPermissions(permissions);
}

绑定设备管理最佳实践

有效的绑定设备管理是保障长期连接安全的关键。推荐实践包括：

1. 安全存储绑定信息:

// 使用Android KeyStore存储敏感配对信息
KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
keyStore.load(null);
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(
    KeyProperties.KEY_ALGORITHM_AES, "AndroidKeyStore");

keyGenerator.init(new KeyGenParameterSpec.Builder(
    "ble_paired_device_key",
    KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT)
    .setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_CBC)
    .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_PKCS7)
    .setUserAuthenticationRequired(true)
    .build());
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();

2. 设备验证机制:

// 对配对设备进行额外身份验证
private void verifyBondedDevice(BluetoothDevice device) {
    // 检查MAC地址是否在白名单中
    String deviceAddress = device.getAddress();
    SharedPreferences preferences = getSharedPreferences("trusted_devices", MODE_PRIVATE);
    boolean isTrusted = preferences.contains(deviceAddress);
    
    if (!isTrusted) {
        // 执行额外验证步骤
        device.createBond();
        // 等待用户确认后再信任设备
    }
}

3. 定期刷新绑定关系:

// 定期移除不活跃设备的绑定关系
public void manageBondedDevices() {
    BluetoothAdapter adapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();
    Set<BluetoothDevice> bondedDevices = adapter.getBondedDevices();
    
    for (BluetoothDevice device : bondedDevices) {
        // 检查最后连接时间
        long lastConnected = getLastConnectionTime(device.getAddress());
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        
        // 如果超过90天未连接，移除绑定
        if (currentTime - lastConnected > 90 * 24 * 60 * 60 * 1000L) {
            device.removeBond();
            removeTrustedDevice(device.getAddress());
        }
    }
}

敏感数据传输保护

应用层额外加密的必要性

即使蓝牙协议提供了链路层加密，应用层额外加密仍然非常必要，原因包括：

• 提供端到端加密，防止中间节点（如操作系统）访问明文数据
• 防御潜在的蓝牙实现漏洞
• 实现数据保护的双重验证
• 支持敏感数据的离线安全存储

因此，对于任何敏感信息（如健康数据、认证凭证、支付信息），都应实现应用层加密。

简单实用的数据保护方案

以下是Android上实现BLE数据额外保护的实用方案：

1. AES加密实现:

public class BleDataEncryption {
    private SecretKey secretKey;
    private static final String TRANSFORMATION = "AES/GCM/NoPadding";
    
    public BleDataEncryption(byte[] key) {
        secretKey = new SecretKeySpec(key, "AES");
    }
    
    public byte[] encrypt(byte[] data) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        byte[] iv = new byte[12]; // GCM推荐IV长度
        new SecureRandom().nextBytes(iv);
        
        GCMParameterSpec parameterSpec = new GCMParameterSpec(128, iv);
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, parameterSpec);
        
        byte[] encryptedData = cipher.doFinal(data);
        byte[] combined = new byte[iv.length + encryptedData.length];
        
        System.arraycopy(iv, 0, combined, 0, iv.length);
        System.arraycopy(encryptedData, 0, combined, iv.length, encryptedData.length);
        
        return combined;
    }
    
    public byte[] decrypt(byte[] combinedData) throws Exception {
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(TRANSFORMATION);
        byte[] iv = new byte[12];
        System.arraycopy(combinedData, 0, iv, 0, iv.length);
        
        byte[] encryptedData = new byte[combinedData.length - iv.length];
        System.arraycopy(combinedData, iv.length, encryptedData, 0, encryptedData.length);
        
        GCMParameterSpec parameterSpec = new GCMParameterSpec(128, iv);
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, parameterSpec);
        
        return cipher.doFinal(encryptedData);
    }
}

2. 数据完整性保护:

public class DataIntegrityProtection {
    public static byte[] addHMAC(byte[] data, SecretKey key) throws Exception {
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
        mac.init(key);
        byte[] hmac = mac.doFinal(data);
        
        byte[] result = new byte[data.length + hmac.length];
        System.arraycopy(data, 0, result, 0, data.length);
        System.arraycopy(hmac, 0, result, data.length, hmac.length);
        
        return result;
    }
    
    public static boolean verifyHMAC(byte[] dataWithHmac, SecretKey key) throws Exception {
        if (dataWithHmac.length < 32) return false; // HMAC-SHA256输出32字节
        
        byte[] data = new byte[dataWithHmac.length - 32];
        byte[] receivedHmac = new byte[32];
        
        System.arraycopy(dataWithHmac, 0, data, 0, data.length);
        System.arraycopy(dataWithHmac, data.length, receivedHmac, 0, 32);
        
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
        mac.init(key);
        byte[] calculatedHmac = mac.doFinal(data);
        
        return MessageDigest.isEqual(calculatedHmac, receivedHmac);
    }
}

5. 未来趋势

BLE mesh 安全机制简介

BLE mesh网络作为蓝牙技术的重要扩展，针对多设备网络场景设计了专门的安全机制：

1. 网络安全架构：

   • 三层安全模型：网络层、应用层和设备层
   • 每层使用独立密钥，实现深度防御
   • 分离的加密域，限制安全事件影响范围

2. 安全配置流程：

   • 设备配置采用公钥加密技术保护
   • 支持带外认证，防止欺骗设备加入
   • 分步骤安全引导，保障网络完整性

3. 消息安全保障：

   • 所有mesh消息均加密传输
   • 消息认证保证数据完整性
   • 防重放保护机制，阻止消息重放攻击

4. 密钥刷新机制：

   • 支持定期网络密钥更新
   • 安全的密钥分发流程
   • 灵活的密钥控制策略

BLE mesh安全机制特别适合智能家居、工业物联网等需要大量设备互联的场景，在保障安全性的同时实现了高效通信。

6. 总结与实践建议

安全设计核心原则

在蓝牙应用安全设计中，应遵循以下核心原则：

1. 深度防御：

   • 同时利用蓝牙内置安全机制和应用层安全措施
   • 不依赖单一安全控制，构建多层次保护
   • 假设任何单层可能被突破，确保其他层次仍提供保护

2. 最小权限：

   • 仅请求必要的蓝牙权限和功能
   • 限制每个连接的访问范围
   • 为不同功能设置不同的安全要求

通过全面理解蓝牙安全机制并应用这些最佳实践，开发者可以构建既安全又高效的蓝牙应用，为用户提供可靠的数据保护和隐私保障。