低功耗蓝牙（BLE）攻击分析

前言

蓝牙是一种短距的无线通讯技术，可实现固定设备、移动设备之间的数据交换。可以说蓝牙是当今世界上，最受欢迎和使用最为广泛的无线技术之一。随着物联网的快速发展，蓝牙技术也加速了其发展步伐以适应不断增长的市场和用户需求。蓝牙特别兴趣小组（SIG）正不断努力提高蓝牙的传输速度，以让蓝牙技术更好的融合于各种物联网设备当中。

低功耗蓝牙（BLE）是蓝牙4.0规范的一部分，其包括传统蓝牙和蓝牙高速协议。相较于传统蓝牙，BLE旨在使用更低的功耗，并保持同等距离的通信范围。BLE只在需要时传输少量数据，而除此之外则会保持关闭状态，这大大降低了其功耗，也使其成为了在低数据速率下需要长久连接使用的理想选择。BLE非常适合运用于电视遥控器，但对于需要传输大量数据的无线媒体流设备则并不适用。

BLE内置于我们今天使用的许多电器或智能设备当中，例如智能手机，智能电视，医疗设备，咖啡机等等。

BLE 受欢迎的原因？

支持多平台，以下列出的设备和平台均支持蓝牙 4.0和BLE：

iOS5+ (iOS7+ preferred)

Android 4.3+ (numerous bug fixes in 4.4+)

Apple OS X 10.6+

Windows 8 (XP, Vista and 7 only support Bluetooth 2.1)

GNU/Linux Vanilla BlueZ 4.93+

Windows Phone

BLE 听上去不错，但真的如此吗？

从安全的角度来看，这个问题提的非常的好。事实是 - BLE只是一个协议。制造商可以在他们的设备中安全地实施BLE。但如果随机数生成器无法生成“足够强壮”的随机数，那么即使最强的加密协议也可能被破解，这同样也适用于BLE。因此，换句话来说就是BLE的安全性实际掌握在其实施者手中。

虽然，所有低功耗蓝牙设备开发的主要动机都是为了增强用户体验。但与此同时，我们需要思考的是安全性是否也已同步？

下面，让我们看看影响BLE安全性的三个主要漏洞：

1. 窃听

考虑常规的BLE通信，一端是手机，一端是BLE设备。假如二者没有进行认证加密，那么在通信开始之前，在附近开启一个BLE Sniffer，就可以看到手机与BLE设备之间的连接后的通信数据明文。

2. MITM 攻击

MITM（Man in the Middle）中间人攻击是指第三方设备混入BLE通信链路之间，伪造通信数据迷惑双方。

假如设备A和设备B在通信之始，设备M注意到二者要进行通信，设备M截取设备A发起的连接请求，伪装成设备B跟其建立连接进行通信，通信完毕后再伪装成设备A向设备B发起连接请求，建立连接后重复设备A在前面发送的数据。这样设备A就一直以为在跟设备B进行通信，设备B也同样，却不知中间还藏着一个第三者。

3. 拒绝服务攻击

由于目前大多数无线设备都使用内置电池组，因此这些设备存在遭受拒绝服务攻击（DoS）的风险。DoS攻击会导致系统频繁崩溃，并耗尽其电池电量。Fuzzing攻击也会导致系统崩溃，因为攻击者可能会将格式错误或非标准数据，发送到设备的蓝牙无线电检查其响应，并最终击垮设备。

BLE 的核心概念

BLE有两个基本概念：

GAP - 通用属性配置文件

GATT - 通用属性

GAP

GAP（Generic Access Profile）主要负责控制设备连接和广播。GAP使你的设备被其他设备可见，并决定了你的设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互。

GAP给设备定义了若干角色，其中主要的两个是：外围设备（Peripheral）和中心设备（Central）。

外围设备：这一般就是非常小或者简单的低功耗设备，用来提供数据，并连接到一个更加相对强大的中心设备。

中心设备：中心设备相对比较强大，用来连接其他外围设备。例如手机等。

广播协议

GAP的广播工作流程如下图所示：

在GAP 中外围设备通过两种方式向外广播数据：Advertising Data Payload（广播数据）和Scan Response Data Payload（扫描回复），每种数据最长可以包含31字节。这里广播数据是必需的，因为外设必需不停的向外广播，让中心设备知道它的存在。扫描回复是可选的，中心设备可以向外设请求扫描回复，这里包含一些设备额外的信息，例如设备的名字。

GATT

GATT（Generic Attribute Profile）定义了两个BLE设备，通过Service 和Characteristic进行通信。GATT使用了ATT（Attribute Protocol）协议，ATT 协议把 Service，Characteristic对应的数据保存在一个查找表中，次查找表使用 16 bit ID 作为每一项的索引。一旦两个设备建立起了连接，GATT 就开始起作用了，这也意味着，GATT只有在GAP管理的广播流程完成后才能启动。

GATT的两个主要概念：

Services

Characteristics

Service

Service是把数据分成一个个的独立逻辑项，它包含一个或者多个 Characteristic。每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。 UUID 有 16 bit 的，或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的，需要花钱购买，128 bit 是自定义的，这个就可以自己随便设置。

官方通过了一些标准 Service，完整列表在这里。以 Heart Rate Service为例，可以看到它的官方通过 16 bit UUID是0x180D，包含3个Characteristic：Heart Rate Measurement, Body Sensor Location和Heart Rate Control Point，并且定义了只有第一个是必须的，它是可选实现的。

Characteristic

在GATT事务中的最低界别的是Characteristic，Characteristic是最小的逻辑数据单元，当然它可能包含一个组关联的数据，例如加速度计的 X/Y/Z三轴值。

与Service类似，每个 Characteristic用16 bit或128 bit的UUID唯一标识。你可以免费使用Bluetooth SIG官方定义的标准 Characteristic，使用官方定义的，可以确保 BLE 的软件和硬件能相互理解。当然，你可以自定义Characteristic，这样的话就只有你自己的软件和外设能够相互理解。

例如，SIG规定的官方TX功耗UUID是0x1804。

利用 BLE 的工具

Linux为BLE提供了最好的支持。想要使用BLE，我们需要安装blueZ。命令如下：

sudo apt-get install bluez

这里我使用的是Ubuntu系统的电脑，该设备将作为与其他外围设备通信的中心网关。安装完成后，我们需要两个工具来扫描，连接和读/写数据。

hcitool

gatttool

在开始之前，我们需要扫描附近的BLE设备。找到后我们需要设法与其建立连接，读/写数据，发现其中的漏洞以进行利用。因此，hcitool是我们必不可少的工具。

hcitool

hcitool利用了笔记本电脑中的主机控制器接口与BLE设备进行通信以及执行读/写/更改操作。因此，hcitool可用于查找广播的可用受害者BLE设备，然后连接后更改其值。

但要更改值/数据，我们必须首先要知道service和characteristic。因此，我们就需要用到gatttool。

gatttool

gatttool的作用就是找出可用BLE设备的service和characteristic，以执行对受害者数据的读取/写入操作。

命令 cheatsheet

命令	功能
hciconfig	用于配置蓝牙设备。 我们可以运行此命令列出连接到我们计算机的BLE加密狗及其基本信息。
hciconfig hciX up	打开名为hciX的蓝牙设备

有关更多命令请参阅：https://helpmanual.io/man1/hciconfig/

Hcitool 命令

hcitool用于配置蓝牙连接并向蓝牙设备发送一些指定命令。

命令	功能
hcitool -i hciX	使用hciX接口。如未指定，则默认为第一个可用接口
hcitool scan	扫描处于可发现模式的传统蓝牙设备
hcitool lescan	扫描BLE蓝牙设备

有关更多命令请参阅：https://helpmanual.io/man1/hcitool/

Gattool 命令

命令	功能
gatttool -I	以交互模式启动gatttool
gatttool -t random -b [adr] -I	使用随机LE地址以交互模式启动gattool。连接到具有地址adr的远程蓝牙设备。
primary	检查连接的BLE设备的可用services
characteristic	检查我们可以从中读取数据的所连接BLE设备的可用characteristics
char-desc	Characteristics Descriptor发现
char-read-hnd	读取characteristic
char-write-req	将值写入handle句柄

有关更多命令请参阅：https://helpmanual.io/man1/gatttool/

使用示例

hciconfig：列出所有连接的BLE适配器。

hciconfig hciX up：启用名为hciX的BLE适配器。

hciconfig hciX down：禁用名为hciX的BLE适配器。

hcitool lescan：扫描附近的BLE设备。

获取BLE设备的地址后，我们需要连接它，现在我们就要用到gatttool了。

gatttool -I：以交互REPL模式启动gatttool，用户可以在其中发送各种命令，如下所示。

connect  ：使用指定的地址连接到BLE设备。

如果设备仅使用手机连接而不是电脑，则上述操作步骤可能无效。为了连接这些设备，我们需要使用随机地址。

gatttool -t random -b  -I：使用随机地址连接到设备。

连接成功后，我们可以使用命令查看设备的services和characteristics。

Primary

Characteristics

在找到services和characteristics之后，我们需要知道我们可以使用char-desc命令读取/写入数据的句柄。

我们还可以使用char-desc 01 05之类的命令，将显示的句柄过滤到特定范围，该命令将显示从1到5的5个句柄。

找到句柄后，我们使用char-read-hnd  命令从中读取数据。

为了写入特定句柄，我们需要知道哪一个是写句柄。我们可以尝试逐个读取所有句柄，直到出现读取错误提示。读取错误意味着特定句柄是写句柄（因为写句柄是无法读取的）。或者，你也可以使用像nrf connect这样的应用程序为你自动找出写句柄。

句柄0x000b有一个UUID，如下图所示：

使用nRF Connect后我获取到了以下输出，这也为我们确认了句柄0x000b确实是一个写句柄。上图中句柄0x000b的UUID和nrf连接匹配。

连接到灯泡后，我们可以将随机值写入不同的characteristics。在大多数情况下，写入随机值将无法按预期工作。要在句柄中写入正确的值，我们需要解密数据协议，我们可以使用像wireshark和ubertooth之类的嗅探工具找到。

解密数据协议后，我们可以使用命令char-write-req  在句柄中写入值。

如果char-write-req报错，我们可以使用char-write-cmd代替。

蓝牙 hci snoop log

从Android 4.4开始增加了一个用来记录从设备进出的所有蓝牙数据包的选项。要启用蓝牙流量捕获，请按照以下步骤操作。请确保Android app已安装。

第1步：打开手机设置并启用开发人员选项。

第2步：打开“开发人员选项”并启用蓝牙HCI snoop log。

第3步：运行Android app（magic blue）并向灯泡发送一些更改颜色的指令。多重复操作几遍。

第4步：我们可以在/sdcard/btsnoop_hci.log 或 /internal Storage/btsnoop_hci.log中找到蓝牙流量的捕获文件。

注 - 在某些设备中，btsnoop_hci.log会被创建在其它位置，例如/sdcard/Android/data/btsnoop_hci.log。

使用电子邮件或Google Drive将捕获的日志文件传输到电脑上，或者你也可以通过USB数据线将Android设备与电脑连接。

第5步：在Wireshark中分析捕获的数据包。Wireshark是一个免费的开源数据包分析工具，如果你没有安装可以通过以下命令进行安装。

sudo apt install wireshark-qt

有关如何使用Wireshark进行分析的内容，请参阅：https://blog.attify.com/exploiting-iot-enabled-ble-smart-bulb-security/

或者，你也可以在像nano这样的文本编辑器中打开捕获文件。

使用 nRF Connect

nRF connect同样可用于嗅探和写入数据。

第6步：打开nRF Connect app并连接BLE灯泡。

第7步：连接后，写入payload值56b0306000f0aa。点击发送后，灯泡的颜色将会发生改变。

这是因为颜色的RGB值为176，48，96或B03060（十六进制）。 我们发给灯泡的命令是56 b0 30 60 00 f0 aa。第二个，第三个和第四个字节分别对应于十六进制的RGB值。

使用 Bleach 攻击 BLE

Bleah是一款基于bluepy python库的BLE蓝牙扫描器。

在开始使用它之前，我们需要满足以下软硬件条件：

硬件

运行Linux的电脑最好是Ubuntu系统

智能BLE灯泡或任何其他蓝牙智能设备

蓝牙适配器

软件

Python 2.7（已在Ubuntu上默认安装）

Bluepy library

Bleah

首先，我们需要确保Bluepy库能正常工作。

转到bluepy目录，打开终端并输入：

sudo ./bluepy-helper 0le on

如下所示：

（注：Bluepy的安装路径，只需运行bluepy-helper即可找到）

success表明Bluepy运行正常。下面，让我们看看如何使用Bleah攻击BLE。

第1步：在相同终端内输入Scan命令扫描附近的BLE设备。

我们的BLE设备地址是：F81D78607184

第2步：打开一个新终端并输入命令sudo bleah -t0，其中t0表示连续扫描。

第3步：我们可以连接到特定设备并枚举所有Services和Characterstics。

sudo bleah -b "aa:bb:cc:dd:ee:ff" -e

aa:bb:cc:dd:ee:ff 为设备地址
-b 按设备地址过滤
-e 连接到设备并执行枚举

第4步：将数据写入到一个特定characteristics运行。

sudo bleah -b "aa:bb:cc:dd:ee:ff" -u "0000ffe9-0000-1000-8000-00805f9b34fb" -d "data"

Bleah是一款非常强大的用于对BLE设备进行攻击的工具，它会自动为我们执行许多操作，这为我们免去了重复执行繁杂操作的过程。

以上是我所为大家介绍的一些，用于对BLE设备进行攻击的工具和技术。希望通过本文的学习，能让大家对BLE及其相关攻击技术有更进一步的了解。

*参考来源：attify ，FB小编secist编译，转载请注明来自FreeBuf.COM