使用BLE 4.2的系統(tǒng)設(shè)計使設(shè)備更加保護(hù)隱私和節(jié)能

在本系列文章的第一部分，我們討論了藍(lán)牙低功耗（BLE）4.2的數(shù)據(jù)長度擴(kuò)展（DLE）和低功耗。在本文中，我們將討論藍(lán)牙低功耗的隱私保護(hù)功能、藍(lán)牙4.2的新增功能以及為何這些變化能夠使BLE設(shè)備更加保護(hù)隱私和節(jié)能。

隱私保護(hù)是BLE設(shè)備防止被不受信任的設(shè)備追蹤的能力。BLE設(shè)備在廣播數(shù)據(jù)包內(nèi)使用48比特地址，如果該地址被其他設(shè)備解碼了，那么根據(jù)這個地址就可以跟蹤該BLE設(shè)備的移動。為了保護(hù)BLE設(shè)備的隱私，受信任的BLE設(shè)備將使用共享密鑰“身份解析密鑰”（Identity Resolving Key， IRK）的共享密鑰。兩個具有此共享密鑰的BLE設(shè)備可以相互識別。一臺BLE設(shè)備先利用該共享密鑰生成一個隨機(jī)的“可解析私有地址”發(fā)送出來，另一臺設(shè)備則采用同一密鑰來解析該私有地址。

藍(lán)牙設(shè)備地址

藍(lán)牙設(shè)備使用48比特的設(shè)備地址。設(shè)備地址被分類為：

? 公有設(shè)備地址

? 隨機(jī)設(shè)備地址

1. 公有設(shè)備地址：公有設(shè)備地址由每臺設(shè)備的公司ID和公司分配ID組成，遵循IEEE 802-2001標(biāo)準(zhǔn)。公司ID和公司分配ID值均為24比特，構(gòu)成總數(shù)為48比特的地址，如圖1所示。

圖1：公有設(shè)備地址

2. 隨機(jī)設(shè)備地址：顧名思義，隨機(jī)設(shè)備地址是隨機(jī)生成的地址。隨機(jī)設(shè)備地址分為兩種類型：

? 靜態(tài)隨機(jī)地址

? 私有隨機(jī)地址

2.1 靜態(tài)隨機(jī)地址：靜態(tài)隨機(jī)地址可以是出廠前在設(shè)備上預(yù)先設(shè)定好的，也可以在每次開關(guān)機(jī)循環(huán)后更改一個新值。然而，只有設(shè)備經(jīng)過一次完整的開關(guān)機(jī)循環(huán)后才可以更改此地址。如果在運(yùn)行期間更改了該地址，存儲在對端設(shè)備中的地址將失效，并且將不可再使用舊地址進(jìn)行重新連接。靜態(tài)隨機(jī)地址有以下要求：

? 兩個最高有效位恒為1

? 所有隨機(jī)位數(shù)值都不能為0

? 所有隨機(jī)位數(shù)值都不能為1

圖2：靜態(tài)隨機(jī)地址

私有隨機(jī)地址分兩種類型 - 不可解析私有地址和可解析私有地址。

2.1.1不可解析的私有地址：不可解析的私有地址隨機(jī)生成，并且每次連接都會發(fā)生變化。不可解析的私有地址有以下要求：

? 兩個最高有效位恒為0

? 所有隨機(jī)位數(shù)值都不能為0

? 所有隨機(jī)位數(shù)值都不能為1

該地址不能和靜態(tài)地址或公有地址相同。

2.1.2可解析私有地址（RPA）

可解析私有地址（RPA）是BLE設(shè)備隱私保護(hù)的重要支柱。RPA是指使用隨機(jī)數(shù)字和身份解析密鑰（IRK）所生成的地址。兩個設(shè)備在配對期間共享IRK，其存儲在設(shè)備的內(nèi)置存儲器中。兩臺配對設(shè)備除了共享IRK之外，還共享一個稱為身份地址的固定地址。該身份地址可以是公有的或是隨機(jī)的靜態(tài)地址類型。因較早進(jìn)行綁定的設(shè)備存有IRK和身份地址，因此能夠解析配對設(shè)備的私有地址。圖3所示為可解析私有地址的格式。

在RPA中，24比特的Hash是IRK和prand的函數(shù)。Prand是24比特的數(shù)字，它包含22個隨機(jī)位數(shù)值以及2個固定的最高有效位數(shù)值；如圖3所示。

圖3：可解析私有地址

可解析私有地址的生成：可解析私有地址是與IRK和prand共同生成的。

Prand是隨機(jī)生成的，有以下要求：

? prand的兩個最高有效位數(shù)值應(yīng)等于2b01

? prand的所有位元數(shù)值都不能為0

? prand的所有位元數(shù)值都不能為1

地址中的Hash部分則是利用prand和設(shè)備的128位IRK傳遞到加密函數(shù)“e”生成。此加密函數(shù)的輸出截斷為24個最低有效位數(shù)值，就是Hash數(shù)值。

Hash=e（IRK，prand *），截斷為24位

*為了使prand的長度與IRK相同，prand增加了104位數(shù)值為0的空白位，確保原有的最低有效位保持不變。

24比特prand和24比特Hash組合生成隨機(jī)地址。

可解析私有地址的解析： B設(shè)備如果具有A設(shè)備的IRK，則可以解析該A設(shè)備的可解析私有地址。可解析私有地址有24位的prand和24位的Hash。B設(shè)備通過A設(shè)備的prand和IRK來解析地址。當(dāng)B設(shè)備接收到A設(shè)備的可解析私有地址后，會從該地址提取出Hash和prand，利用其生成本地Hash值。本地Hash的生成方式與在地址生成期間的方式完全相同。

本地Hash= e（A設(shè)備IRK、prand），截斷為24位

如果B設(shè)備生成的本地Hash值與從地址中提取的A設(shè)備 Hash值匹配，則該地址被成功解析。如果B設(shè)備有一個以上對端的IRK，則該設(shè)備將為每個存儲的IRK重復(fù)這一步驟，以確定接收到的可解析私有地址是否與存儲的某一個IRK相關(guān)，直到IRK中某一個地址匹配成功或者所有地址匹配結(jié)束。

B設(shè)備在配對過程中收到對端設(shè)備的IRK和身份地址后，會將其與本地IRK一起存儲在待解析列表中，用于將來解析私有地址。

在藍(lán)牙4.1中，該解析列表保存在主機(jī)上，由主機(jī)完成地址解析，這意味著在每次收到附有可解析私有地址的廣播包時，都需要主機(jī)參與解析地址。但在藍(lán)牙4.2中，該解析列表保存在控制器中，由控制器解析私有地址，無需主機(jī)干預(yù)；而如果主機(jī)使用單獨(dú)的CPU控制，則意味著不需要喚醒設(shè)備中的主機(jī)，從而降低了整體功耗。即使對于使用相同的CPU執(zhí)行控制器和主機(jī)的設(shè)備，因為地址不再需要通過不同的協(xié)議層，也可以通過減少解析地址所需的CPU循環(huán)次數(shù)而降低功耗。此外，在沒有主機(jī)參與的情況下，地址在鏈路層解析，可提供更快的連接。當(dāng)在鏈路層完成地址解析時，Privacy 1.2也被稱為鏈路層（LL）隱私。

可解析私有地址（RPA）超時

隨機(jī)私有地址每隔一段時間自動更新，進(jìn)一步降低了設(shè)備被跟蹤的可能性。該時間間隔由主機(jī)設(shè)置，為RPA超時設(shè)置計時。當(dāng)計時過期時，IRK和新的prand將會生成新的RPA。對于Privacy 1.1，RPA的超時時間固定為15分鐘。藍(lán)牙4.2中的Privacy 1.2將最小RPA超時時間減少為1秒，而最大超時時間可以為11.5小時。藍(lán)牙4.2中RPA不斷變化，私有設(shè)備難以被跟蹤，從而提高了隱私性。

雖然藍(lán)牙4.1和更舊的版本支持可解析私有地址，但由于對連接時間的影響和功耗的影響限制了可用性。在使用RPA時，不能在Privacy1.1中使用諸如設(shè)備過濾和定向連接廣播這樣的功能。

設(shè)備過濾

設(shè)備過濾是指減少其需要響應(yīng)的同類設(shè)備數(shù)量，有助于減少功耗。設(shè)備在過濾功能啟用時需要響應(yīng)的那些同類設(shè)備地址和地址類型，存儲在白名單中。該白名單由主機(jī)配置并保持在鏈路層。配置完成后，鏈路層用其來過濾對等設(shè)備。由于在藍(lán)牙4.1中使用RPA時地址只能由主機(jī)解析，因此鏈路層不能過濾該設(shè)備。因此，對于藍(lán)牙4.1，當(dāng)使用RPA時不支持設(shè)備過濾。由于設(shè)備需響應(yīng)每個對端設(shè)備，因此增加了私有藍(lán)牙4.1設(shè)備的功耗。

在藍(lán)牙4.2中，由于地址解析在鏈路層完成，即使使用RPA仍然可以過濾設(shè)備?，F(xiàn)在，不在白名單上的設(shè)備不需要主機(jī)干預(yù)，因此降低了功耗。

定向連接廣播

該定向連接廣播PDU包含傳播器的RPA，也包括想要連接至的設(shè)備RPA。這使得兩個設(shè)備之間的連接變得更快。此外，輔助設(shè)備不需要與不打算連接的對等設(shè)備共享設(shè)備的具體詳細(xì)信息。當(dāng)基于藍(lán)牙4.1的中央設(shè)備使用具備過濾隱私功能的設(shè)備時，定向連接廣播不可用，因為其不能在鏈路層解析地址。然而，藍(lán)牙4.2支持在鏈路層解析地址，因此支持定向廣播連接。藍(lán)牙4.2包括附加掃描過濾器政策設(shè)置，允許帶可解析私有地址的定向廣播。在輔助設(shè)備采用定向連接廣播之前，必須檢查對等設(shè)備的中央地址解析特性。中央地址解析特性告知設(shè)備對等設(shè)備是否支持地址解析。

綜上所述，使用可解析私有地址時，BLE設(shè)備很難被追蹤到；而RPA頻繁變換且使用定向廣播，則使得跟蹤私有藍(lán)牙4.2設(shè)備變得更加困難。在鏈路層的地址解析能夠加速連接且降低功耗。此外，在藍(lán)牙4.2中采用RPA時能夠進(jìn)行設(shè)備過濾，與使用藍(lán)牙4.1或更舊版本的設(shè)備相比，可提高私有設(shè)備的功耗利用效率。