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【IoT】加密与安全：CC254x 低功耗蓝牙 BLE 之 AES-128 加密算法_蓝牙 aes-128 加密解密

作者：寸_铁 | 2024-08-05 16:41:43

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蓝牙 aes-128 加密解密

蓝牙数据是可以通过空中抓包而被抓取到的，因此需要将通信数据进行加密，即使别人截获了加密后的数据，也无法利用该数据。

AES 加密原理

CC254x 支持对称加密 AES：

加密过程：

需要加密的数据 A 与秘钥 KEY 进行一定的算法，获得加密过的数据 B。

解密过程：

加密过的数据 B 与秘钥 KEY 进行一定的逆运算算法，获得加密前的数据 A。

因此，在 BLE 连接交互数据时，可以对明文数据进行加密，确保数据的机密性，从而抵御攻击者。机密性是指第三方“攻击者”由于没有加密链路的共享密钥，因此无法拦截、破译或读取消息的原始内容。

1、BLE AES-128 加密算法简介

低功耗蓝牙 BLE 中的所有加密和认证都基于同一个加密引擎，称为高级加密系统（AES）。

BLE 使用 128（16 字节）位的密钥和 128 位的数据块。也就是说，所有密钥的长度均为 128 位，每次加密生成的密文长度为 16 个字节。

AES 加密块非常简单，它包含两个输入和一个输出。

两个输入分别为 128 位的密钥值和 128 位的纯文本数据块，输出则为 128 位的加密数据块。

密钥和纯文本在使用上有一些不同：

纯文本可以直接为加密块使用，但密钥必须经过处理后才能使用。

在 BLE 中 AES 加密引擎被用于下列四个基本功能：

1）加密净荷数据

2）计算消息完整性校验值

3）数据签名

4）生成私有地址

数据签名在安全管理器中定义，生成私有地址在通用访问规范中定义。

2、BLE AES-128 加解密方法源码

2.1、BLE 设备端

1）测试环境

开发环境：

IAR8.20版本，Windows XP系统

测试设备：

CC2541/CC2540 开发板

测试例程：

1.4.0 协议栈中 simpleBLEPeripheral 例程

2）实现源码


/****************************************************************
* 名    称: Aes128EncryptAndDecrypTest()
*
* 功    能: 测试AES-128 加解密，注意我们加密时需要key，
*		      加密后的数据用于通信；同样解密的时候也
*		      需要用同一个key进行解密，这样，如果对方
*		      没有key 就无法解密出原始数据，进而保护了
*		      用户数据不被截取。
*
* 入口参数: 无    
* 出口参数: 无
****************************************************************/
static void Aes128EncryptAndDecrypTest(void)
{
	int i = 0;
	// 加密秘钥 16个字节也就是128 bit
	uint8 key[16] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16};
 
	// 需要加密的数据(保证16个字节，不够的自己填充)
	uint8 source_buf[16] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16};
 
	// 加密后数据存放区
	uint8 encrypted_buf[16];
 
	// 解密后数据存放区
	uint8 deccrypted_buf[16];
 
	// 开始加密，加密后的数据存放到 encrypted_buf
	LL_Encrypt( key, source_buf, encrypted_buf );
 
	// 开始解密，将解密后的数据存到deccrypted_buf
	LL_EXT_Decrypt( key, encrypted_buf, deccrypted_buf );
 
	//打印原始数据
	tx_printf("source:");
	for(i = 0;i < 16;i++)
	{
		txprintf("0x%02x ",source_buf[i]);
	}
	tx_printf("");
	//打印加密后的数据
	tx_printf("encrypte:");
	for(i = 0;i < 16;i++)
	{
		txprintf("0x%02x ",encrypted_buf[i]);
	}
	tx_printf("");
	//打印解密后的数据
	tx_printf("deccrypte:");
	for(i = 0;i < 16;i++)
	{
		txprintf("0x%02x ",deccrypted_buf[i]);
	}
	tx_printf("");
 
}

上述测试方法放到“simpleBLEPeripheral.c”文件中，在初始化函数“SimpleBLEPeripheral_Init”里面最后的地方调用上述测试方法“Aes128EncryptAndDecrypTest();”。

通过上述测试方法，我们看到设备端加密用的是“LL_Encrypt”方法，解密用的是“LL_EXT_Decrypt”方法，这两个方法的声明在“Ll.h”头文件中，这个头文件被“hci.h”头文件引用，所以如果提示找不到这两个方法的时候，我们引用“hci.h”头文件即可。

2.2、安卓手机端

1）测试环境：

开发环境：

Eclipse 开发工具，Windows XP 系统。

测试设备：

Eclipse 开发工具编译 java 工程可以在控制台输出结果。

2）测试源码：


package com.zzfenglin.aes;
 
import java.util.Formatter;
 
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
 
public class AesEntryDetry {
	// 加密秘钥 ，16个字节也就是128 bit
	private static final byte[] AES_KEY = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,
			12, 13, 14, 15, 16 };
 
	// 需要加密的数据(保证16个字节，不够的自己填充)
	private static final byte[] SOURCE_BUF = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,
			11, 12, 13, 14, 15, 16 };
 
	// Java测试工程入口方法，在这个方法中调用加解密方法并打印结果
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		// 需要加密的原始数据转化成字符串并打印到控制台
		String strSource = BytetohexString(SOURCE_BUF);
		System.out.println("source:\n" + strSource);
 
		// 调用加密方法，对数据进行加密，加密后的数据存放到encryBuf字节数组中
		byte[] encryBuf = encrypt(AES_KEY, SOURCE_BUF);
		// 将加密后的字节数组数据转成字符串并打印到控制台
		String strEncry = BytetohexString(encryBuf).toLowerCase();
		System.out.println("encrypte:\n" + strEncry);
 
		// 调用解密方法，对数据进行解密，解密后的数据存放到decryBuf字节数组中
		byte[] decryBuf = decrypt(AES_KEY, encryBuf);
		// 将解密后的字节数组数据转成字符串并打印到控制台
		String strDecry = BytetohexString(decryBuf);
		System.out.println("decrypte:\n" + strDecry);
 
	}
 
	// 加密方法
	private static byte[] encrypt(byte[] key, byte[] clear) throws Exception {
		SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
		Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");
		cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
		byte[] encrypted = cipher.doFinal(clear);
		return encrypted;
	}
 
	// 解密方法
	private static byte[] decrypt(byte[] key, byte[] encrypted)
			throws Exception {
		SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(key, "AES");
		Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");
		cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec);
		byte[] decrypted = cipher.doFinal(encrypted);
		return decrypted;
	}
 
	// 字节数组按照一定格式转换拼装成字符串用于打印显示
	private static String BytetohexString(byte[] b) {
		int len = b.length;
		StringBuilder sb = new StringBuilder(b.length * (2 + 1));
		Formatter formatter = new Formatter(sb);
 
		for (int i = 0; i < len; i++) {
			if (i < len - 1)
				formatter.format("0x%02X:", b[i]);
			else
				formatter.format("0x%02X", b[i]);
 
		}
		formatter.close();
 
		return sb.toString();
	}
}

3、如何使用 MAC 生成 AES 秘钥

例子：该方式可以保证每个设备的 AES 秘钥不同，但如果他人知道了秘钥的获取方式，则该加密方式将不再安全。

CC254x 将温度值放在广播数据中发送给手机 app：

1）CC254x 使用 mac 形成 AES 秘钥；

2）CC254x 将温度值利用 AES 秘钥进行加密；

3）CC254x 将加密后的温度值动态广播出来；

4）手机 app 使用 mac 形成 AES 秘钥。

5）手机app获取CC2541的广播数据，并解析出温度数据字段。

6）将加密后的温度值利用AES秘钥进行解密。


 
//******************************************************************************                                  
//name:             GUA_AES.c                     
//introduce:        AES驱动              
//author:           
//******************************************************************************       
#include <ioCC2540.h>
#include "LL.h"   
#include "GUA_AES.h"        
  
/*********************内部变量************************/
static GUA_U8 sbGUA_AES_Key[16] = {0};       //AES的秘钥
 
/*********************内部函数************************/
static void GUA_Get_LocalMac(GUA_U8 *pGUA_LocalMac);
static void GUA_AES_GetKey(GUA_U8 *pGUA_AES_LocalMac, GUA_U8 *pGUA_AES_Key);
 
//******************************************************************************                      
//name:             GUA_Get_LocalMac                     
//introduce:        获取本机mac                  
//parameter:        pGUA_LocalMac:mac需要保存到的位置，需要6个字节大小             
//return:           none                                     
//****************************************************************************** 
static void GUA_Get_LocalMac(GUA_U8 *pGUA_LocalMac)
{  
  pGUA_LocalMac[5] = *(GUA_U8 *)(0x780E);       //直接指向指针内容     
  pGUA_LocalMac[4] = *(GUA_U8 *)(0x780F);    
  pGUA_LocalMac[3] = *(GUA_U8 *)(0x7810);    
  pGUA_LocalMac[2] = XREG(0x7811);              //define函数直接读出数据     
  pGUA_LocalMac[1] = XREG(0x7812);    
  pGUA_LocalMac[0] = XREG(0x7813);   
}  
 
//******************************************************************************                      
//name:             GUA_AES_GetKey                     
//introduce:        通过mac形成自定义秘钥                  
//parameter:        pGUA_AES_LocalMac:mac地址 
//                  pGUA_AES_Key:秘钥存放位置，需要16字节大小  
//return:           none                  
//author:           甜甜的大香瓜                           
//email:            897503845@qq.com               
//QQ group:         香瓜BLE之CC2541(127442605)                            
//changetime:       2017.03.29                        
//****************************************************************************** 
static void GUA_AES_GetKey(GUA_U8 *pGUA_AES_LocalMac, GUA_U8 *pGUA_AES_Key)
{    
  pGUA_AES_Key[0] = 'G';  
  pGUA_AES_Key[1] = 'U';
  pGUA_AES_Key[2] = 'A';
  pGUA_AES_Key[3] = '#';
  
  pGUA_AES_Key[4] = pGUA_AES_LocalMac[0];  
  pGUA_AES_Key[5] = pGUA_AES_LocalMac[1];
  pGUA_AES_Key[6] = pGUA_AES_LocalMac[2];
  pGUA_AES_Key[7] = pGUA_AES_LocalMac[3];
  pGUA_AES_Key[8] = pGUA_AES_LocalMac[4];
  pGUA_AES_Key[9] = pGUA_AES_LocalMac[5];  
  
  pGUA_AES_Key[10] = pGUA_AES_LocalMac[0] + pGUA_AES_LocalMac[1];  
  pGUA_AES_Key[11] = pGUA_AES_LocalMac[2] + pGUA_AES_LocalMac[3];
  pGUA_AES_Key[12] = pGUA_AES_LocalMac[4] + pGUA_AES_LocalMac[5];
  
  pGUA_AES_Key[13] = pGUA_AES_LocalMac[0] - pGUA_AES_LocalMac[1];
  pGUA_AES_Key[14] = pGUA_AES_LocalMac[2] - pGUA_AES_LocalMac[3];
  pGUA_AES_Key[15] = pGUA_AES_LocalMac[4] - pGUA_AES_LocalMac[5];  
} 
 
//******************************************************************************                      
//name:             GUA_AES_Encrypted                     
//introduce:        加密16字节的数据                  
//parameter:        pGUA_AES_Data:要加密的数据缓存区,必须16字节 
//                  pGUA_AES_EncryptedData:加密后的数据缓存区，必须16字节
//return:           none                                       
//****************************************************************************** 
void GUA_AES_Encrypted(GUA_U8 *pGUA_AES_Data, GUA_U8 *pGUA_AES_EncryptedData)
{    
  LL_Encrypt(sbGUA_AES_Key, pGUA_AES_Data, pGUA_AES_EncryptedData);
} 
 
//******************************************************************************                      
//name:             GUA_AES_Deccrypted                     
//introduce:        解密16字节以内的数据                  
//parameter:        pGUA_AES_EncryptedData:加密后的数据缓存区，必须16字节
//                  pGUA_AES_DeccryptedData:解密后的数据缓存区，必须16字节 
//return:           none                  
//author:           甜甜的大香瓜                           
//email:            897503845@qq.com               
//QQ group:         香瓜BLE之CC2541(127442605)                            
//changetime:       2017.03.29                        
//****************************************************************************** 
void GUA_AES_Deccrypted(GUA_U8 *pGUA_AES_EncryptedData, GUA_U8 *pGUA_AES_DeccryptedData)
{    
  LL_EXT_Decrypt(sbGUA_AES_Key, pGUA_AES_EncryptedData, pGUA_AES_DeccryptedData); 
} 
 
//******************************************************************************                      
//name:             GUA_AES_Init                     
//introduce:        AES初始化                  
//parameter:        none             
//return:           none                                         
//******************************************************************************     
void GUA_AES_Init(void)        
{    
  GUA_U8 nbGUA_LocalMac[6] = {0};
  
  //获取mac
  GUA_Get_LocalMac(nbGUA_LocalMac);
 
  //通过mac获取秘钥
  GUA_AES_GetKey(nbGUA_LocalMac, sbGUA_AES_Key);
}

refer：

https://blog.csdn.net/zzfenglin/article/details/51729300

https://blog.csdn.net/feilusia/article/details/68070791

https://blog.csdn.net/feilusia/article/details/50085225

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