FPGA實(shí)現(xiàn)安全可靠的藍(lán)牙通信

藍(lán)牙數(shù)據(jù)安全性 

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列安全機(jī)制，要求每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、認(rèn)證以及加密等功能,從而為近距離無線通信提供基本的保護(hù)。此外，藍(lán)牙技術(shù)所采用的跳頻通信方式本身也是一個(gè)防止竊聽的有效安全手段。 

密鑰管理 

藍(lán)牙設(shè)備在高層軟件中采用幾種不同的密鑰來保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。 

加密 

藍(lán)牙設(shè)備中采用加密的方法來保證連接的保密性。但在數(shù)據(jù)加密之前，需要存在一條經(jīng)過認(rèn)證的已建立連接。藍(lán)牙加密采用8位至128位的密鑰對藍(lán)牙分組中的數(shù)據(jù)載荷進(jìn)行加密，但不對藍(lán)牙接入碼和分組頭進(jìn)行加密。載荷加密的具體細(xì)節(jié)依賴于所需要的加密強(qiáng)度以及產(chǎn)品最終應(yīng)用國家的地區(qū)性法規(guī)要求。  
  
藍(lán)牙系統(tǒng)采用稱為E0的序列加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。對每一數(shù)據(jù)載荷（payload）E0算法都進(jìn)行重新同步。E0序列加密包含三個(gè)部分：  
  
●初始化部分，生成載荷密鑰；  

●密鑰流比特生成器 ； 

●加密與解密硬件電路。 

有三種加密模式： 

● 加密模式1：不對任何數(shù)據(jù)進(jìn)行加密； 

● 加密模式2：點(diǎn)對多點(diǎn)（廣播）數(shù)據(jù)流不加密，點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密； 

● 加密模式3：所有數(shù)據(jù)流均進(jìn)行加密。 

物理層數(shù)據(jù)安全性-跳頻擴(kuò)展頻譜 

除了藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)所采取的其它安全手段以外，藍(lán)牙通信所采取的跳頻通信這一機(jī)制也使竊聽變得極困難。  
  
如前所述，藍(lán)牙射頻工作在2.4GHz頻段。在北美和歐洲的大部分，藍(lán)牙設(shè)備工作于從2.402至2.480GHz的頻帶，整個(gè)頻帶被分成 79個(gè)1MHz帶寬的子信道。在跳頻通信中，數(shù)據(jù)信號被窄帶載波信號調(diào)制，而這些窄帶載波信號則做為時(shí)間的函數(shù)不斷從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)采用的是每秒跳躍1600次的跳頻序列。  
  
收發(fā)雙方都知道的跳頻碼決定了射頻載波的頻率以及跳頻的順序。為正確地進(jìn)行信號接收，接收器必須設(shè)置成與發(fā)送方一樣的跳頻碼，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和正確的頻率點(diǎn)監(jiān)聽載波信號。只有正確同步時(shí)，才能維持一個(gè)邏輯信道。其它接收器看到的FHSS信號僅是持續(xù)時(shí)間極短的脈沖噪聲。  
   
FHSS依靠頻率的變化來對抗干擾。如果射頻單元在某個(gè)頻率遇到干擾，則會(huì)在下一步跳到另一頻率點(diǎn)時(shí)重傳受到干擾的信號。因此總的干擾可變得很低，位錯(cuò)誤很少或幾乎沒有。 

藍(lán)牙數(shù)據(jù)完整性 

前向糾錯(cuò)（FEC） 

藍(lán)牙采用的錯(cuò)誤校正有三種類型： 

●1/3編碼率FEC 

●2/3 編碼率 FEC 

●數(shù)據(jù)的自動(dòng)重發(fā)請求（ARQ）方案 

FEC（前向糾錯(cuò)）的目的是為了減少數(shù)據(jù)載荷重發(fā)的次數(shù)。但是，采用FEC的缺點(diǎn)是會(huì)明顯地降低可達(dá)到的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率。  

數(shù)據(jù)白化 

所有的分組頭和載荷信息在發(fā)送前都要利用數(shù)據(jù)白化位進(jìn)行白化處理。這主要是為了避免在傳輸過程中出現(xiàn)過長的連續(xù)0或1的位流模式?；鶐幚砥餍枰獜慕邮盏降哪M數(shù)據(jù)信號中判斷數(shù)據(jù)是0還是1，但過長的連續(xù)0或1位流會(huì)造成問題。因?yàn)樵诮邮盏降哪M數(shù)據(jù)信號中并不存在象直流信號中那樣的參考點(diǎn)，因此必須依靠接收到的最后幾個(gè)傳輸信號進(jìn)行校正。任何連續(xù)的0或1的長序列位流串都可能導(dǎo)致校正失敗。因此需要采用數(shù)據(jù)白化技術(shù)對信號進(jìn)行擾碼處理，以大大降低出現(xiàn)長序列0或1位流串的可能性。

用于高級數(shù)據(jù)安全可編程解決方案 

對于大多數(shù)需要將保密放在首位來考慮的應(yīng)用來說，藍(lán)牙所提供的數(shù)據(jù)安全性是不夠的?？偟膩碚f，就藍(lán)牙安全性來說，還存在一些問題需要解決。藍(lán)牙所提供的數(shù)據(jù)安全性措施對小型應(yīng)用來說看起來已足夠了，但任何敏感數(shù)據(jù)或會(huì)產(chǎn)生問題的數(shù)據(jù)都不應(yīng)直接通過藍(lán)牙傳輸。例如，藍(lán)牙所采用的加密方案本身就有某些弱點(diǎn)。128位密鑰長度的E0序列加密在某些情況下可通過O（2^64）方式破解。  
  
設(shè)想一種可能的情況，攻擊者設(shè)法獲取了用來保證兩個(gè)設(shè)備間通信的加密密鑰，然后即可竊聽這兩個(gè)設(shè)備間互相發(fā)送的消息。而且，攻擊者還可以冒充其中的某個(gè)設(shè)備插入錯(cuò)誤的信息。朗訊公司認(rèn)為，避免這一問題的一個(gè)方法是用戶采用較長的個(gè)人識別碼（PIN碼）而不是用短的PIN碼，從而增加攻擊者獲取加密密鑰的難度。而這又意味著要人工輸入PIN號碼。這實(shí)在令人覺得非常不方便，因?yàn)槊看谓踩B接都需要輸入PIN碼。  
  
克服這種安全性問題的另一個(gè)方法是采用更強(qiáng)健的加密算法，如數(shù)字加密標(biāo)準(zhǔn)（DES），甚至三次DES來代替E0序列加密算法。DES是一種塊加密方法，這意味著加密過程是針對一個(gè)數(shù)據(jù)塊一個(gè)數(shù)據(jù)塊地進(jìn)行的。在DES算法中，原始信息被分成64位的固定長度數(shù)據(jù)塊，然后利用56位的加密密鑰通過置換和組合方法生成64位的加密信息。圖2示出的是DES加密處理的框圖。  
  
與藍(lán)牙序列加密算法不同，數(shù)學(xué)上可以證明塊加密算法是完全安全的。DES塊密碼是高度隨機(jī)的、非線性的，生成的加密密文與明文和密鑰的每一位都相關(guān)。DES的可用加密密鑰數(shù)量多達(dá)72 x 1015個(gè)。應(yīng)用于每一 明文信息的密鑰都是從這一巨大數(shù)量的密鑰中隨機(jī)產(chǎn)生的。DES算法已被廣泛采用并被認(rèn)為是非?？煽康模椰F(xiàn)在出現(xiàn)了一種更為安全的DES算法變種--稱為三次DES（TDES），它采用不同的密鑰對信息連續(xù)進(jìn)行三次DES加密處理。  
   
所有這些加密算法都可以采用低成本的可編程邏輯器件和現(xiàn)成可用的用于高級加密處理的智力產(chǎn)權(quán)（IP）產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。如圖2所示的DES功能，僅需要2美元成本的芯片邏輯資源即可實(shí)現(xiàn)。目前，大批量時(shí)只用10美元即可購買到10萬系統(tǒng)門的可編程邏輯器件，而且是現(xiàn)貨，立即可以使用。這些器件還允許在設(shè)計(jì)中增加其它功能，如高級錯(cuò)誤糾正。因此可編程邏輯器件可大幅度降低系統(tǒng)級的成本。  
  
基于軟件的加密解決方案具有極好的靈活性，然而性能較低。另一方面，基于硬件的加密解決方案性能很高，但一旦設(shè)計(jì)完成后靈活性很差。而基于可編程邏輯的加密解決方案則可同時(shí)提供前述兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，即具有很高水平的靈活性也具有很高的性能。  
  
采用一個(gè)更強(qiáng)鍵的加密算法允許藍(lán)牙技術(shù)安全地應(yīng)用到范圍廣泛的安全性具有最重要地位的應(yīng)用中去。這些應(yīng)用包括：金融電子交易：ATM、智能卡；安全電子商務(wù)交易；安全辦公通信；安全視頻監(jiān)視系統(tǒng)；數(shù)字機(jī)頂盒；高清晰度電視（HDTV）及其它消費(fèi)電子設(shè)備。 

用于高級數(shù)據(jù)完整性可編程解決方案 

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)定義了可有效防止隨機(jī)錯(cuò)誤的方法，即采用數(shù)據(jù)白化和錯(cuò)誤校驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。然而，從理論上仍然存在這樣的特定數(shù)據(jù)流，它可能會(huì)持續(xù)地造成藍(lán)牙傳輸錯(cuò)誤，雖然這種情況在通常的藍(lán)牙傳輸中很難碰到。  
  
而且在更為惡劣的環(huán)境，如工業(yè)環(huán)境、辦公大樓、機(jī)場和城市公共交通廠所等，仍然存在傳輸過程中產(chǎn)生差錯(cuò)的危險(xiǎn)。在這些地方，來自其它多種藍(lán)牙設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)系統(tǒng)或其它工作在相同頻段的電子設(shè)備的噪聲和干擾都會(huì)導(dǎo)致問題。針對這些情況，可以再次采用可編程邏輯和高級糾錯(cuò)IP來實(shí)現(xiàn)無錯(cuò)通信。對惡劣的通信環(huán)境，可以采用一種更為強(qiáng)大的前向糾錯(cuò)技術(shù)，如Turbo卷積編碼。  
  
urbo編碼是一種高級前向糾錯(cuò)算法，它是第三代無線通信系統(tǒng)（如WCDMA中實(shí)現(xiàn)的）的標(biāo)準(zhǔn)糾錯(cuò)算法。Turbo編碼的原理是由編碼器生成包含兩上獨(dú)立編碼比特序列和一個(gè)未編碼比特序列的數(shù)據(jù)流。由于經(jīng)過交織處理，兩組校驗(yàn)比特序列是弱相關(guān)的。在Turbo解碼器中，兩組校驗(yàn)比特序列分別利用稱為外部信息的軟判決輸出進(jìn)行解碼。Turbo解碼的效率來自一系列譯碼循環(huán)過程中對外部信息的共享。外部信息從一個(gè)校驗(yàn)解碼步驟傳遞到另一個(gè)，從一個(gè)循環(huán)傳遞到另一個(gè)。已經(jīng)有此類Turbo卷積碼的現(xiàn)成IP可用，并且可容易地采用低成本可編程邏輯實(shí)現(xiàn)。這一解決方案可以在惡劣和容易出錯(cuò)的環(huán)境中保證藍(lán)牙數(shù)據(jù)完整性。   

藍(lán)牙應(yīng)用中的可編程邏輯解決方案

目前，實(shí)現(xiàn)這一美好前景所面臨的挑戰(zhàn)集中于如何將藍(lán)牙應(yīng)用到下一代產(chǎn)品中。這可能是一個(gè)困難的任務(wù)，特別是當(dāng)面對現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí)。如何集成藍(lán)牙子系統(tǒng)？如何最小化軟件開發(fā)開銷和對系統(tǒng)的影響？如何創(chuàng)造針對特定應(yīng)用的設(shè)備配置？  
  
可編程邏輯的一個(gè)巨大優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)特殊的要求調(diào)整系統(tǒng)配置。例如，目前提供的藍(lán)牙器件最大性能僅721Kbps，并且僅能同時(shí)支持幾個(gè)并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)（微微網(wǎng)）。對公共廠所的接入點(diǎn)（如機(jī)場休息室或企業(yè)會(huì)議室等），可能需要匯接大量的此類設(shè)備，以支持大量用戶的高帶寬連接。  
  
可編程邏輯可以許多方式為設(shè)計(jì)提供靈活性，無論是連接一個(gè)不同的射頻部分到所選擇的基帶控制器，還是象上面的例子一樣集成更多的用戶接口外設(shè)，或如圖3那樣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全性和完整性等增值功能。在所有情況下，您都會(huì)發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)會(huì)更快，并且可以多次進(jìn)行設(shè)計(jì)修正，從而保證系統(tǒng)可以在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到正常工作，而所有這一切都沒有采用ASIC時(shí)的NRE費(fèi)用。