BLE4.0配对绑定过程的底层剖析

一、实验目的

1、了解主从配对绑定的过程中底层是怎么运行的；

二、说明

1、关于配对于绑定，网上查了很多资料都没查到什么，问了很多人也没有回答的，所以我决定自己深入了解底层关于配对与绑定是如何运行的，我用了接近两个星期来理解的，效率很低，在这里总结一下，希望能帮助到别人。

2.这里之是大概讲了一个方向，因为涉及的点太多，无法一一列出，需要研究细节的，自己去探讨一下，不懂可以在群上讨论

三、实验平台

1、蓝牙协议栈：1.3.2

2、软件平台：IAR For 8051 8.10.3

5、硬件平台：Smart RF开发板（从机），Android_Lightblue（主机）

四、实验步骤

1.static void gapRole_ProcessGAPMsg( gapEventHdr_t *pMsg )

{
switch ( pMsg->opcode )
{
case GAP_LINK_ESTABLISHED_EVENT：
if ( pPkt->hdr.status == SUCCESS )
{
// Notify the Bond Manager to the connection  //通知绑定管理调出绑定当前连接主机的绑定信息如LTK等
VOID GAPBondMgr_LinkEst( pPkt->devAddrType, pPkt->devAddr, pPkt->connectionHandle, GAP_PROFILE_PERIPHERAL );
}
}

2.bStatus_t GAPBondMgr_LinkEst( uint8 addrType, uint8 *pDevAddr, uint16 connHandle, uint8 role )

{
idx = GAPBondMgr_ResolveAddr( addrType, pDevAddr, publicAddr );//查看当前连接的主机是否绑定过
if ( idx < GAP_BONDINGS_MAX ) //如果当前连接主机在NV的某个位置（绑定过)则将绑定信息调出，否则不管
{
// On peripheral, load the key information for the bonding 从机加载出绑定的密钥信息
// On central and initiaiting security, load key to initiate encyption 主机加载出绑定的密钥信息并向从机发出加密请求
gapBondMgrBondReq( connHandle, idx, stateFlags, role,
((gapBond_PairingMode == GAPBOND_PAIRING_MODE_INITIATE ) ? TRUE : FALSE) )
// If Peripheral and initiating, send a slave security request to initiate either pairing or encryption
//调用出绑定信息后，向主机发出安全请求，主机发起加密或配对（如果没绑定过）
if ( role == GAP_PROFILE_PERIPHERAL &&
gapBond_PairingMode == GAPBOND_PAIRING_MODE_INITIATE )
{
gapBondMgrSlaveSecurityReq( connHandle ); //向主机发送安全请求
}
}

3.等待主机发送配对（没绑定）或加密请求（绑定过）

一、没绑定过

1.static void gapRole_ProcessGAPMsg( gapEventHdr_t *pMsg )

{
switch ( pMsg->opcode )
{
GAP_PAIRING_REQ_EVENT:  //接收到主机的配对请求
{
// Send pairing response //配对响应
gapBondMgrAuthenticate( pPkt->connectionHandle, pLinkItem->addrType, &(pPkt->pairReq) ); //启动认证
}
}
}

2.static void gapBondMgrAuthenticate( uint16 connHandle, uint8 addrType,gapPairingReq_t *pPairReq )

{
VOID GAP_Authenticate( ¶ms, pPairReq ); //认证，根据配对请求接收到的主机信息（如主机的配对能力等）跟自己的配对能力做比较然后执行下一步动作（由于从机设置成GAPBOND_IO_CAP_DISPLAY_ONLY，所以主机索求密码）
}

3.static void gapRole_ProcessGAPMsg( gapEventHdr_t *pMsg )

{
switch ( pMsg->opcode )
{
case  GAP_PASSKEY_NEEDED_EVENT: //向主机索求密码
{
if ( pGapBondCB && pGapBondCB->passcodeCB ) //用回调函数发送密码请求
{
// Ask app for a passcode
pGapBondCB->passcodeCB( pPkt->deviceAddr, pPkt->connectionHandle, pPkt->uiInputs, pPkt->uiOutputs );
}
}
}

4.static void ProcessPasscodeCB(uint8 *deviceAddr,uint16 connectionHandle,uint8 uiInputs,uint8 uiOutputs )

{
passcode = 123456;   //使用固定密码123456
// Send passcode response
GAPBondMgr_PasscodeRsp( connectionHandle, SUCCESS, passcode );  //发送密码请求给主机
}

5.等待主机回复密码，从机接收到主机的密码回复后，在底层对接收到的密码做校验，要么密码不正确（status=SMP_PAIRING_FAILED_CONFIRM_VALUE），要么正确(status=SUCCESS)，要么主机取消输入操作(status=SMP_PAIRING_FAILED_PASSKEY_ENTRY_FAILED)，在校验密码完成后，从机触发GAP_AUTHENTICATION_COMPLETE_EVENT事件并向主机发送自己的认证信息TLK等（认证成功）或发送认证status=Msg Buffer Not Available（密码错误），发送消息是底层完成的，不开源；

6.static void gapRole_ProcessGAPMsg( gapEventHdr_t *pMsg )

{
switch ( pMsg->opcode )
{
case  GAP_AUTHENTICATION_COMPLETE_EVENT:  //认证完成
{
if ( (pPkt->hdr.status == SUCCESS) && (pPkt->authState & SM_AUTH_STATE_BONDING) )//判断认证是否成功
{
// Save off of the authentication state
VOID gapBondMgrAddBond( &bondRec, //绑定
(gapBondLTK_t *)pPkt->pSecurityInfo,
(gapBondLTK_t *)pPkt->pDevSecInfo,
((uint8 *)((pPkt->pIdentityInfo) ? pPkt->pIdentityInfo->irk : NULL )),
((uint8 *)((pPkt->pSigningInfo) ? pPkt->pSigningInfo->srk : NULL )),
((uint32)((pPkt->pSigningInfo)?pPkt->pSigningInfo->signCounter :GAP_INIT_SIGN_COUNTER ))
}
// Call app state callback
if ( pGapBondCB && pGapBondCB->pairStateCB ) //通知回调函数当前认证的状态，密码正确或不正确
{
pGapBondCB->pairStateCB( pPkt->connectionHandle, GAPBOND_PAIRING_STATE_COMPLETE, pPkt->hdr.status );
}
}
}

二、绑定过

1.主机接收到从机的安全请求后，会检查当前连接的从机是否绑定过，绑定过的话，利用绑定的信息做加密并向从机发送加密请求；

2.从机接收到主机的加密请求后，用GAP_LINK_ESTABLISHED_EVENT中的调出来的绑定信息跟主机进行三次加密握手（底层完成），如果加密成功，从机向主机发送绑定完成事件（status=SUCCESS）并触发GAP_BOND_COMPLETE_EVENT事件，如果加密不成功(从机删除绑定信息)，从机向主机发送绑定完成事件（status=LL_REJECT_IND）事件但不触发GAP_BOND_COMPLETE_EVENT事件

3.static void gapRole_ProcessGAPMsg( gapEventHdr_t *pMsg )

{
switch ( pMsg->opcode )
{
case GAP_BOND_COMPLETE_EVENT:  //绑定完成
#if ( HOST_CONFIG & CENTRAL_CFG )  //主机
if ( pPkt->hdr.status == LL_ENC_KEY_REQ_REJECTED ) //如果加密失败且status =LL_ENC_KEY_REQ_REJECTED
{
switch ( gapBond_BondFailOption )  //当绑定过，但是加密失败的时候，主机可以启动重新配对
{
case GAPBOND_FAIL_INITIATE_PAIRING:
// Initiate pairing
gapBondMgrAuthenticate( pPkt->connectionHandle, pLinkItem->addrType, NULL );
break;
}
}
}
#endif
if ( pGapBondCB && pGapBondCB->pairStateCB )  //加密成功，通知回调函数
{
pGapBondCB->pairStateCB( pPkt->connectionHandle, GAPBOND_PAIRING_STATE_BONDED, pMsg->hdr.status );
}
}
}
}

 

五、总结

1.每次连接后，从机都会向主机发送安全请求gapBondMgrSlaveSecurityReq( connHandle )，如果没有相互绑定过，主机会发起配对（配对数据中包括主机的密钥等），配对完成后，从机触发GAP_AUTHENTICATION_COMPLETE_EVENT并向主机发送自己的认证信息LTK等，这样相互保存认证信息LTK等后就算绑定了；

2.每次连接后，从机都会向主机发送安全请求gapBondMgrSlaveSecurityReq( connHandle )，如果配对绑定过，主机和从机会以保存下来的认证信息LTK等来做加密认证，如果加密成，从机触发GAP_BOND_COMPLETE_EVENT事件并向主机发送绑定完成消息（status=0x00）SUCCESS，如果认证失败(从机删除绑定信息)，从机会向主机发送绑定完成消息（status=0x06）LL_REJECT_IND事件当不触发GAP_BOND_COMPLETE_EVENT事件;

 

六、补充

1.问题一：从机跟主机配对过一次后，不会再次配对；

答：从机跟主机配对过后，相互保存绑定的认证信息，当再次连接时，主机先会去检查当前从机是否绑定过，如果有，就不会在发起配对了，即使是从机更改了配对密码也是一样，因为再次连接加密认证时是用保存好的绑定信息（LTK）来做加密认证的，而不是配对密码，配对密码只是临时密码（TK），用来在配对时产生LTK的，如果不用配对，更改配对密码是没有任何意义的；

2.问题二：主从机如何删除绑定？

答：主机：在手机的系统蓝牙设置里面有取消配对；

从机：GAPBondMgr_SetParameter( GAPBOND_ERASE_ALLBONDS,0, NULL );  这个函数可以删除所有绑定，但前提它不会立即执行，它要先确认从机当前是在连接状态还是在无连接状态，无连接状态时，删除绑定是立即执行，连接状态时，需要等断开连接后自动执行，详情可以自己看一下这个函数的代码就好，想在连接状态下删除绑定可以直接用gapBondMgrEraseAllBondings()，想删除某个绑定可以用gapBondMgrEraseBonding()；

3.问题三：为什么从机删除绑定后，IOS lightblue 不会重新配对，Android lightblue会重新配对，IOS lightblue只有在系统蓝牙中取消配对在可以重新配对；

答：上面的实验步骤二.2讲到在从机删除绑定后，主机再和从机连接时，最终会加密失败，从机会发送失败消息给主机，主机可以在接收到加密失败消息后重新启动配对，像二.3一样，至于IOS lightblue 不会重新配对，android lightblue会重新配对,那只是APP程序编写不同而已了；

4.很多人问为什么在阿莫资料中的蓝牙4.0连接之配对与绑定实验中，OLED显示bonding success 是在配对后的第二次连接才会显示

答：依总结.2看来，第一次配对绑定并不会触发GAP_BOND_COMPLETE_EVENT事件的，而阿莫的OLED显示bonding success 就是放在GAP_BOND_COMPLETE_EVENT事件，，所以第一次配对OLED不会显示bonding success，在主从配对绑定后，每次连接时，如果加密成功都会触发GAP_BOND_COMPLETE_EVENT事件，所以在配对之后的第一次连接才会显示bonding success，实际上绑定相当与保存认证信息而已，在GAP_AUTHENTICATION_COMPLETE_EVENT中gapBondMgrAddBond就已经做了，你也可以在GAP_AUTHENTICATION_COMPLETE_EVENT事件中做OLED显示bonding success ；