1.简介

        Paring（配对）和Bonding（绑定）是实现蓝牙射频通信安全的一种机制，有两点需要注意：

1. Paring/bonding实现的是蓝牙链路层的安全，对应用层来说是完全透明的。也就是说，不管有没有paring/bonding，应用层数据的收发方式都是一样的，不会因为加了paring/bonding而使应用层数据传输需要做某些特殊处理。
2. 安全有两种选项：加密或签名。目前绝大部分应用都是选择加密

        实现蓝牙通信安全，除了paring/bonding这种底层方式，用户也可以自己在应用层去实现相同的安全功能。从功能上来说是没有太大区别的，不同的是应用层安全自己实现的话，需要自己选择加密算法、密钥生成、密钥交换等。如果不是这方面的专家，很有可能会有安全漏洞。而蓝牙的paring/bonding则把上述过程标准化，放在了蓝牙协议栈里。并且其安全性得到了充分的评估，用户可以“无感”使用安全的蓝牙通信。

        paring/bonding是蓝牙sercurity manager（SM）的一部分，SM定义了蓝牙通信的安全架构，里面涉及安全架构、密码工具箱、paring协议等。其中paring协议是关键，所以经常把paring和SM二者等价。

2.配对

        配对是找到并确定需要和自己通信的设备，也就是身份确定。接着是安全密钥共享，而这一过程仅仅是由启动加密到得到短期密钥（STK）为止。其包括配对能力交换、设备认证、密钥（固定128bit）生成、连接加密以及机密信息分布等过程。配对的目的有三个：加密连接、认证设备、生成密钥。

        区别于传统蓝牙的配对过程，BLE的配对过程发生在连接过程之后。

        和经典蓝牙一样，协议为处于连接状态的BLE设备，定义了两种Link Layer角色：Master和Slave。Master是连接的发起方，可以决定和连接有关的参数。Slave是连接的接收方，可以请求连接参数，但无法决定。

        在SM（Security Manager）的规范中，配对时指"Master和Slave通过协商确立用于加（解）密的Key的过程"，主要由三个阶段组成：

        配对是一个三阶段的过程。前两个阶段时必须的，第三阶段时可选的。

• 第一阶段：配对特征交换。称作“Pairing Feature Exchange”，用于交换双方有关鉴权的需求（authentication requirements），以及双方具有怎样的人机交互能力（IO Capabilities）。
• 第二阶段：短期密钥（STK）生成。通过SMP协议进行实际的配对操作，根据阶段一“Feature Exchange”的结果，有两种配对方法可选：LE legacy pairing和LE Secure Connections
• 第三阶段：传输特定密钥分配。该阶段时可选的，经过阶段一和阶段二之后，双反已经产生了加密key。因此可以建立加密的连接。加密连接建立后，可以互传一些私密的信息，例如Encryption Information、Identity Information、Identity Address Information等。

注：STK的生成规则如下：

Just work：没有加密，TK=0X00。Just works方式不能抵抗窃听者和中间人攻击，只有在配对过程时没有遭受攻击，后面加密的链路数据才是可信的。安全级别很低。

passkey entry：密码输入。如果passkey是“019655” ，TK的值就是0x00000000000000000000000000004CC7。（0x4cc7就是19655的16进制数）。将输入的值作为一个6位数的十进制，转换为15字节的十六进制。

OOB（Out of band）：带外的TK值，是一个16字节的随机数，通过非BLE的方式传递给对端。例如二维码或IR红外。对于蓝牙窃听者/攻击者而言，这个data的传输是不可见的，因此会显得安全很多。

 2.1 配对请求的数据格式

        

IO capabilities表明输入，输出的能力。

        输入是按键、键盘，输出是显示数字用的界面。

•         0x00（Display Only）只能 显示000000~999999的数字
•         0x01（Display YesNo）显示Yes/No的按钮
•         0x02（Keyboard Only）只能输入000000~999999的数字
•         0x03（No input No output）没有输入也没有显示，只能用Just work工作方式
•         0x04（Keyboard Display）能输入000000~999999的数字，也能有屏幕显示。

OOB data flag

•         0x00        OOB数据没有发送
•         0x01        OOB数据通过远端设备发送（如IR）
•         0x02-0xFF 保留

3.绑定

        配对过程中会生成一个长期密钥（LTK,long-term key），如果配对双方把这个LTK存储起来放在Flash中（有的时候是长期密钥、身份解析密钥、连接签名解析密钥这三个秘密要的某一个或组合进行交换，然后将交换的密钥存储到数据库中），那么这两个设备再次重连的时候，就可以跳过配对流程，而直接使用LTK对蓝牙连接进行加密，设备的这种状态称为绑定（bonding）。

        这里要明确一个概念，配对绑定只有在两个设备之间第一次配对时才会发生，后续的连接由于第一次的配对绑定已经有“Bonding”过程（即存储），如果存储的数据库没有被认为的清空，后续的连接不需要再次配对。并不是所有的通信都需要加密进行数据保护，因此，建立连接之前不一定需要配对和绑定，可以直接建立连接。

4.总结

         BLE的配对和绑定是一连串的动作，总结下来可以用下图来表示。

        

• 阶段1：配对特征交换，得到临时密钥（TK）值（配对请求、配对响应）
• 阶段2：身份确认以及短期密钥（STK）生成（通过安全管理协议（SMP）配对），确定自己正在和一个真正想要通信的设备通信，而非第三方。即确定对方身份。
• 阶段3：传输特定密钥（密钥分配）。绑定所需存储到安全数据库的数据也是在此阶段发送的。

        上述三阶段总结：

1. 配对认证：主从机一方提供密码，一方输入密码，如果双方密码一致，那么此密码将作为TK（临时密码）。
2. 加密链路：利用得到的TK（临时密码）等信息计算出STK（短期密码）用来做加密认证
3. 绑定：加密认证通过后，利用STK等信息生成LTK（长期密码），把LTK保存下来，用于下次连接时做加密认证，不需要再次配对就可以加密链路。这就是绑定。

        绑定后通讯过程：每次连接时，从机会向主机发送安全请求。如果主从机相互绑定过，主机不会发送配对请求，主机直接利用绑定时保存的LTK发送加密请求。从机也会利用绑定时保存的LTK来做加密回复，三次握手成功后（加密成功，三次握手通讯由底层完成，用户不可见），从机回复主机加密状态success。

        建立连接是使用的静态密码，解除绑定/配对是使用的动态密码。回连也需要密码，使用的是动态密码，这是为了防止窃听，起保护作用。为了防止泄露信息，用户也可以自行在应用层去实现相同的功能。

        配对和绑定的区别：

1.连接：通讯的基础，通讯数据为明文

2.配对：配对仅仅是为了在连接的基础上加密（通讯数据经过加密为密文）。提高蓝牙链路传输的安全性。不配对也能连接进行通信。

3.绑定：绑定是配对发起时的一个可选配置。把配对信息记录下来，下次不用配对自动进入加密的连接。所以没有在bonding列表里的设备不影响连接。

        在不引起误解的情况下，经常把paring当成paring和bonding两者的组合，因为只paring不bonding的应用情况非常少见。