蓝牙嗅探技术方案

近年来，蓝牙技术享有前所未有的声望和发展速度，在移动设备上的覆盖率更是惊人。事实上，蓝牙已经成为无线配件及智能设备的主要连接方式。不幸的是，最近研究表明，蓝牙所采用的两级流加密模式存在许多缺陷，用户隐私受到潜在危胁。另一方面，则是利用蓝牙传递信息的新型通讯软件被用于违法犯罪活动中，严重影响社会和谐安定。面对蓝牙技术的发展，应当积极采取应对措施，加强在蓝牙嗅探方向的研究。

一、蓝牙嗅探技术背景

1.1蓝牙技术

蓝牙技术是一种支持短距离的无线数据交换方式。一个主设备和一个或多个从设备建立的蓝牙网络被称为微微网（Piconet）。蓝牙技术因其低功耗、低成本、灵活性强而被广泛应用于短距离无线通信中。根据实用需求，蓝牙设备的最大发射功率也被分为三个等级，而其覆盖范围也随着功率而变化。目前，蓝牙技术联盟负责监督蓝牙规范的研究，管理认证项目，并维护商标权益。

1.2无线电层

蓝牙协议栈最底层被称为无线电层。蓝牙技术采用2.4GHz工作频段，该频段是全世界公开通用的无线频段（ISMBand），无需付费和申请，保证了蓝牙可以获得更大的使用范围。蓝牙使用跳频技术，并以1600跳/s的速率进行跳频，传输的数据将会分割成多个数据包，通过指定的79个蓝牙信道分别传输数据包，每个信道占1MHz，蓝牙的实际使用波段为2400MHz～2483.5MHz（包括防护频带）。这种方法导致了选择性拦截的困难，因为攻击者往往需要知道连续的跳频序列。

1.3基带层

基带层负责管理物理连接，确保由蓝牙设备组成的微微网内各单元之间由射频构成的物理连接。每个蓝牙设备都有一个唯一的48位蓝牙设备地址（BD_ADDR），分为3个部分，包括24位的低端地址部分（LAP）、8位的高端地址部分（UAP）和16位的非有效地址部分（NAP）。该地址可以说是蓝牙技术的运算核心，负责几乎所有蓝牙正常工作的控制参数，如密钥、跳频序列都是由此地址计算得到的。

1.4数据包结构

所有的蓝牙数据包都按统一的结构进行封装，由访问码、报头和有效载荷组成。一个有效的数据包必须包含访问码，访问码用于数据同步和DC偏移补偿。一个最简单的蓝牙数据包，如用于寻呼、查询和相应过程的ID包，可以仅包含一个68bit的访问码。蓝牙通信过程中有一个非常重要的包——跳频同步（FHS）包，它包含蓝牙设备的BD_ADDR和时钟信息。

1.5连接的建立

为进行蓝牙数据传输，必须先建立连接。首先，主设备会广播发送ID包作为查询。此时所使用的是79个蓝牙信道中的32个广播信道。从设备收到这个包后，会发送一个FHS包，其中包含了从设备的BD_ADDR和时钟信息。收到FHS包的主设备进入寻呼状态，并按照从设备的跳频序列计算出特定的应答时间，发送ID包。从设备会固定间隔地扫描外部寻呼，在收到主设备的应答ID包后，响应该应答，发送ID包。主设备收到从设备ID包后，发送FHS包确定连接的跳频序列。最后，主从设备分别发送ID包和FHS包进行验证，建立连接。

在微微网中，所有设备共享主设备的时钟，以312.5µs为一个时钟周期，两个周期构成625µs一个时间槽。通常情况下，主设备都会从双数槽传输数据，从设备从单数槽传输数据。

二、蓝牙嗅探方案

2.1蓝牙嗅探的难点

蓝牙嗅探的第一个障碍就是截获蓝牙跳频序列。想要获得一个完整的蓝牙数据传输需要监听所有的79个蓝牙信道，必须拦截和过滤获得完整的数据包，这就要求必须知道正确的蓝牙跳频序列。获得蓝牙跳频序列的方法有两个，一种是依靠强大的软硬件设备，另一种方法需要等待设备重新建立连接，并从建立连接的数据包中获得跳频序列。

另一个问题是常见蓝牙硬件基于数据包的访问码自动进行过滤。由于过滤行为发生在硬件层面，无法通过上层软件的设计来解决，必须依靠相应的硬件设备才能解决该问题。

2.2蓝牙抓包工具Wireshark

Wireshark作为一款常用的抓包工具而被广泛使用。而1.12以上及版本的Wireshark中增添了蓝牙协议标准，意味着可以通过Wireshark对捕获的蓝牙数据包进行分析，为嗅探工作提供了很大的便利。同时，Wireshark也提供了监听本机蓝牙接口的功能，能够监听与本机相连的蓝牙设备。图1为用Wireshark抓取的蓝牙数据包信息。图1中展示的是计算机与蓝牙耳机建立连接过程中的部分数据包。编号27为计算机作为主设备广播发射的一个数据包，查询附近的蓝牙设备。编号28至编号31都是蓝牙耳机对计算机的查询响应，除编号28外的三个数据包中都含有耳机的BD_ADDR。自此，计算机与蓝牙耳机通过互相发送数据包，逐步建立蓝牙连接。

2.3蓝牙无线开发平台Ubertooth

UbertoothOne是由Ubertooth项目组设计提供的一款用于蓝牙研究的硬件。Ubertooth是一个开放源代码的2.4GHz无线开发平台，适用于蓝牙监测。UbertoothOne同样通过USB接口与计算机相连。

利用SpecanUI工具能够直观地观测到实时的蓝牙频谱信息，如图2所示。在图2的观测中存在一个与手机相连的蓝牙耳机。

可以发现，活跃的无线信号主要集中在2403Hz到2446Hz之间，意味着该手机与蓝牙的数据传输主要集中在这些信道上。另外，2402Hz、2426Hz、2480Hz为固定的广播信道，用于对未连接设备间发送广播数据，连接建立和发现远程设备。这3个信道在频谱上也有明显的特点。

UbertoothOne也能支持选择要监听的信道，或是捕获蓝牙数据包等功能。捕获的蓝牙数据包可以通过Wireshark等软件进行分析。通过UbertoothOne发送蓝牙数据包目前为止还是不可能的，意味着不能使用UbertoothOne实现蓝牙数据包的注入操作。

结论

蓝牙嗅探方案的实现，目前还存在不少的难点。另一方面来看，过高的门槛也杜绝了大量不法分子利用蓝牙盗取公民信息的企图。但是，诸如FireChat之类的，通过蓝牙进行通信的软件常常被应用在违法犯罪活动中，已经严重危害了公共安全。深入研究蓝牙技术，积极研究蓝牙嗅探方案，不但能解决当前问题，更为将来的蓝牙安全问题做好应对准备。

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