沁恒微 Ble 蓝牙配对绑定（一、基础与流程）

Ble 配对绑定的说明与测试 ...... 矜辰所致

前言

我们在使用 Ble 蓝牙的时候，有些设备需要数据加密，防止陌生设备读写数据，我们就需要进行配对绑定操作。但什么是配对，什么是绑定，和之前我们普通的连接通信有什么区别？实际应用中我们如何设置配对绑定？

本文我们就来说明一下 Ble 配对绑定的基础知识以及在 沁恒微 Ble 上配对绑定的代码实现。

相关博文：
CH58x/CH59x 系列芯片从机示例解析
沁恒微蓝牙 GATT 应用框架说明
沁恒 RISC-V 蓝牙芯片 Flash 分区管理及操作
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我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！

一、 基础介绍

1.1 什么是配对绑定

先简单介绍一下什么是配对，什么是绑定？

我们用简短的术语表达：

• 配对
  两个设备当场交换密钥，建立加密连接 (一次性)。

• 绑定
  两个设备记住密钥，下次自动加密连接 (永久)。

我们之前很多基本的示例测试，数据传输，都是没有经过配对绑定的明文，可以通过蓝牙分析仪获取控制通讯的数据包，可以直接解析出来数据内容。

经过配对绑定之后，我们抓取到的数据包就是经过加密的报文，无法直接解析。

对于连接，配对，绑定的关联：

• 配对一定要先连接，没有连接，就没法配对；
• 绑定一定要先配对，没有配对，就没法绑定。

1.2 为什么需要配对绑定

原因概括来说就两点：

1. 安全性
   没有配对绑定的空中报文是明文，能够被第三方抓包（比比如一般测试情况下蓝牙分析仪抓包），很多场合下为了保证两个设备通信的安全性，必须防窃听、防篡改、防冒充，所以需要配对绑定。
2. 便捷性
   绑定过后，设备自动回连，不需要再次手动点击配对，自动进行加密回连，安全便捷。

1.3 什么决定需不需要配对绑定

需不需要配对绑定由从机的特征值权限决定！

从机的特征值权限，我们以前在学习 GATT 应用框架时的博文《 沁恒微蓝牙 GATT 应用框架说明 》有过说明，如下图：

具备上述属性的特征值必须要配对绑定才能进行正常的数据交互。

但是对于普通属性的特征值，不需要配对绑定就能正常读写的特征值，我们主动进行配对绑定，也是没有问题的，配对过后就变成加密通讯 ，对于普通属性的特征值配不配对都不影响通信。

1.4 配对流程

说明：只要初始化的时候设定好了配对绑定参数，配对流程是协议栈自动进行的，对于应用来说，本小节简单了解即可，不影响使用。

配对开始都是由”主机开始的“，这里指的是 启动配对 肯定是由主机发起，但是从机可以发 Security Request 请求配对，使得主机发起配对流程。

"谁输入密码"由双方 IO 能力协商决定——可能是主机、从机、双方确认，或无密码。

配对流程可以概括如下：

主机发起 → 特性交换（IO / 认证方式）→ 认证执行（显示 / 输入 / 确认）→ 密钥生成 → 链路加密 → 可选绑定保存。

1. 主机发起
   主机发 Pairing Request 开始配对；

2. 特性交换（IO / 认证方式）
   主机 ↔ 从机互相告诉对方 3 件事：
   ①、IO 能力：有没有屏幕，有没有键盘 / 输入，决定后面谁输密码、谁显示密码。
   ②、MITM：中间人攻击，MITM = TRUE 时要求防中间人，必须输密码、或数字比对，不能随便就连。MITM = FALSE 时可以用 Just Works 直接配对。
   当从设备的 IO 能力 = NO_INPUT_NO_OUTPUT（无输入无输出），即使 MITM = TRUE 也只能走 Just Works 免密配对
   ③、是否绑定（Bonding）

3. 认证执行（显示 / 输入 / 确认）
   根据第二部谈好的规则，走一种配对方式：
   ①、Just Works：无密码、无显示、无输入，直接配对
   ②、Passkey Entry：一方显示 6 位密码，另一方输入
   ③、Numeric Comparison：两边都显示一样的 6 位密码/两边都点 “确认”

4. 密钥生成 → 生成 STK
   STK : Short Term Key 短期密钥，只对本次连接有效，用来给当前链路做 AES 加密 。

5. 链路加密
   双方用 STK 启动加密，所有数据变成 AES 密文

6. 可选绑定保存
   如果第二步里 bonding = TRUE：
   就需要分发长期密钥 LTK + RAND + EDIV + IRK（可选）+ CSRK（可选，极少用），保存到 Flash。
   对于上述几种长期密钥，说明见下面表格：

1.5 细节补充说明

• 蓝牙两个设备建立连接的过程（广从机广播、手机扫描、手机发起连接、建立物理连接成功）是明文，可以通过抓包工具获取通讯包。加密在配对后才启用！
• 配对绑定不阻止别人连接，但阻止别人访问加密特征值；明文特征值仍可读写，除非配对模式设为拒绝新连接。
• 从机多连接：从机同时跟多个主机建立物理连接，但每个主机能不能读写、能读哪些，由 特征值权限 + 绑定状态 单独控制。
  从机可以绑定多个主机，每个绑定都是独立密钥；从机 Flash 里存一个绑定列表，可以存多组 LTK 密钥，对应多个手机。绑定多个后，所有已绑定手机都能自动回连、加密通信。
  绑定信息需要存放到 Flash ，需要占用内存空间，沁恒微EVT 里面决定绑定数量的在CONFIG.h里面的宏定义BLE_SNV_NUM。

二、 EVT 示例说明

本文以 CH58x EVT 为示例说明，CH58x CH59x 系列芯片大体一致，具体以实际 EVT 为准

2.1 与配对有关的代码说明

2.1.1 配对绑定配置代码

在官方 EVT 从机示例中，关于配对绑定有关的配置在Peripheral_Init()里面，如下：

再次说明，只要完成上面配置，配对绑定流程由 BLE 协议栈自动执行，自动完成配对、加密、保存 LTK/EDIV/Rand 到 Flash，下次回连自动加密。应用层只需配置 + 监听回调。

其中每个配置参数说明如下：

1. GAPBOND_PERI_DEFAULT_PASSCODE
   密码 ，6 位数字

2. GAPBOND_PERI_PAIRING_MODE
   其中有三个配置：
   GAPBOND_PAIRING_MODE_NO_PAIRING
   禁止配对
   GAPBOND_PAIRING_MODE_WAIT_FOR_REQ
   被动等待配对，等主机自己发起才配对
   GAPBOND_PAIRING_MODE_INITIATE
   连接成功 瞬间，就发送 Security Request 请求主机发起配对

3. GAPBOND_PERI_MITM_PROTECTION
   前面讲过的 MITM：中间人攻击，MITM = TRUE 时要求防中间人，必须输密码、或数字比对，不能随便就连。MITM = FALSE 时可以用 Just Works 直接配对。

4. GAPBOND_PERI_IO_CAPABILITIES
   IO 能力配置，5 种配置如下：
   GAPBOND_IO_CAP_DISPLAY_ONLY
   只有显示屏，没有输入，不能确认，按键（智能手环、电子标签）
   配对方式 Passkey Entry：显示6位数字，对方输入
   GAPBOND_IO_CAP_DISPLAY_YES_NO
   有显示屏 + 有确认键（带按键的显示器）
   配对方式 Numeric Comparison：双方显示数字，用户确认是否相同
   GAPBOND_IO_CAP_KEYBOARD_ONLY
   只有键盘输入，没有屏幕（蓝牙键盘）
   配对方式 Passkey Entry：对方显示数字，本机输入
   GAPBOND_IO_CAP_NO_INPUT_NO_OUTPUT
   无显示无输入无按键（耳机，传感器）
   配对方式 Just Works：无密码，直接配对
   GAPBOND_IO_CAP_KEYBOARD_DISPLAY
   既能显示又能输入（手机，平板）
   配对方式 所有方式都支持，协议自动选择最优

5. GAPBOND_PERI_BONDING_ENABLED
   是否需要绑定，= TRUE 需要绑定

2.1.2 不同的配对方式

上面 IO 能力配置，我感觉还是表格查询比较直观，补充一个表格：

2.1.3 配对绑定数据存储

我们数据保存存放在哪里，这个在之前博文《沁恒 RISC-V 蓝牙芯片 Flash 分区管理及操作》 中有过说明：

在工程目录 HAL —> include —> CONFIG.h 文件里面有关于配对绑定存储地址，数量有关的宏定义配置：

具体细节一点大家可以自行查看或者查看之前的 Flash 分区使用说明文章，但是要记得，之前文章讲过我们修改宏定义，尽量在 MRS 工程配置里面修改：

2.2 示例修改测试

2.2.1 增加配对相关回调函数

官方从机示例中，只有配对绑定的配置，没有注册回调函数，我们为了观察效果，需要把回调函数加上，可参考主机例程 Central 的配对绑定回调函数 。

配对绑定状态回调相关的结构体如下：

typedefstruct{pfnPasscodeCB_tpasscodeCB;//!< Passcode callbackpfnPairStateCB_tpairStateCB;//!< Pairing state callbackpfnOobCB_toobCB;//!< oob callback}gapBondCBs_t;

在从机示例种，我们先只加一个状态回调：

// GAP Bond Manager CallbacksstaticgapBondCBs_tPeripheral_BondMgrCBs={NULL,// Passcode callback (not used by application)My_Peripheral_PairStateCB,// Pairing / Bonding state Callback (not used by application)NULL// oob callback};

实现一下回调函数 ：

staticvoidMy_Peripheral_PairStateCB(uint16_tconnectionHandle,uint8_tstate,uint8_tstatus){switch(state){caseGAPBOND_PAIRING_STATE_STARTED:PRINT("配对开始\r\n");break;caseGAPBOND_PAIRING_STATE_COMPLETE:if(status==SUCCESS){PRINT("配对成功\r\n");}else{PRINT("配对失败\n");}break;caseGAPBOND_PAIRING_STATE_BONDED:if(status==SUCCESS){PRINT("绑定成功\r\n");}break;caseGAPBOND_PAIRING_STATE_BOND_SAVED:if(status==SUCCESS){PRINT("绑定信息已保存到Flash\r\n");}else{PRINT("绑定信息保存失败: %d\n",status);}break;}}

为什么测试先只加一个回调函数，因为如果第一个回调函数passcodeCB也增加实现，主机需要输入的密码会出现变化，不再以初始化的密码为准。而是需要在回调函数中生成密码。这个我们下文也会测试。

我们把密码修改一下：

uint32_tpasskey=123456;// passkey "000000"

为了方便区分，我把蓝牙名称也修改了一下，这个大家随意。

然后烧录程序以后，通过手机蓝牙（不是 APP，不是 BLE 调试助手，nRF Connect 那些APP），是手机系统设置里面的蓝牙，选中从机设备，进行配对：

在从机 Debug 信息输出如下 ：

如果我们要增加配对密码回调函数，再次说明，只要 Passcode callback 注册了，那么密码就不是初始设定的密码了：

我们可参考官方 EVT 中主机代码中centralPasscodeCB程序写密码回调函数，如下：

// 配对密码回调（如果需要自己显示密码就用）staticvoidMy_Peripheral_PasscodeCB(uint8_t*deviceAddr,uint16_tconnHandle,uint8_tuiInputs,uint8_tuiOutputs){uint32_tpasscode;// Create random passcodepasscode=tmos_rand();passcode%=1000000;// Display passcode to user// passcode = 123456; 我们也可以再这里固定密码if(uiOutputs!=0){PRINT("Passcode:%06d\n",(int)passcode);}// Send passcode responseGAPBondMgr_PasscodeRsp(connHandle,SUCCESS,passcode);}

回调函数设置如下：

// GAP Bond Manager CallbacksstaticgapBondCBs_tPeripheral_BondMgrCBs={My_Peripheral_PasscodeCB,// Passcode callback (not used by application)My_Peripheral_PairStateCB,// Pairing / Bonding state Callback (not used by application)NULL// oob callback};

我们再进行上面配对操作，就需要注意新生成的密码，手机输入的秘密以新生成的密码为准（当然，我们可以再密码回调中固定一个密码也可以），如下：

那在上文中，我们讲配对绑定配置的时候，讲了不同配置下的配对方式会有不同，这个大家都可以自己尝试一下，比如我们把示例中 ioCap 设置为无输入输出的情况：

uint8_tioCap=GAPBOND_IO_CAP_NO_INPUT_NO_OUTPUT;

我们手机进行配对的时候，就不需要输入密码，点击配对即可成功配对。

2.2.2 关于回连

只要 bond 成功，设备就具备自动回连的能力，回连本身是主机的行为（断开连接后主机搜索到从机的广播便再次发起连接实现回连），只是手机系统不会像对待耳机/HID 那样自动连接普通 BLE 设备。

所以我们上面的示例测试，断开并不能够实现它自动回连的效果，那么我们可以把我们自己的设备模拟成 HID 设备，测试一下自动回连。这里我们为了方便，直接使用 EVT 例程中的 HID 设备测试回连，关于 HID 设备后期会有专门的博文进行说明，本文不讨论 HID 设备实现与逻辑等问题。

比如我们找到 BLE 目录下面的 HID_Mouse 例程：

我们本次需要关注的点在于配对绑定这一块，这个根据上文说明就能看懂：

示例直接通过手机蓝牙测试 ：

2.2.3 主机示例配对绑定测试

主机和从机需要配对绑定，会根据它们配置的 IO 能力进行配对方式的选择， 在配对的时候，是根据双方的能力共同决定的，所以只需要知道双方能力的组合，就能确定它们的配对方式，如下表格：

对于我们的示例而言，从机默认为GAPBOND_IO_CAP_DISPLAY_ONLY所以当主机为NO_INPUT_NO_OUTPUT或者DISPLAY_ONLY时，它们配对是不需要密码的，不会进入密码回调，比如主机设置如下（注意主机要设置为GAPBOND_PAIRING_MODE_INITIATE连接后发起配对）：

/Setup the GAP Bond Manager{uint32_tpasskey=0;uint8_tpairMode=GAPBOND_PAIRING_MODE_INITIATE;uint8_tmitm=TRUE;uint8_tioCap=GAPBOND_IO_CAP_NO_INPUT_NO_OUTPUT;uint8_tbonding=TRUE;GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_CENT_DEFAULT_PASSCODE,sizeof(uint32_t),&passkey);GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_CENT_PAIRING_MODE,sizeof(uint8_t),&pairMode);GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_CENT_MITM_PROTECTION,sizeof(uint8_t),&mitm);GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_CENT_IO_CAPABILITIES,sizeof(uint8_t),&ioCap);GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_CENT_BONDING_ENABLED,sizeof(uint8_t),&bonding);}

测试结果如下，从机不进入密码回调函数，使用的是 Just Works 配对模式：

如果我们把主机设置为：

uint32_tpasskey=0;uint8_tpairMode=GAPBOND_PAIRING_MODE_INITIATE;uint8_tmitm=TRUE;uint8_tioCap=GAPBOND_IO_CAP_KEYBOARD_ONLY;uint8_tbonding=TRUE;

当然还需要修改一下centralPasscodeCB函数，把从机对应的密码写上去，从机这个地方也要固定密码，要不然不好测试：

staticvoidcentralPasscodeCB(uint8_t*deviceAddr,uint16_tconnectionHandle,uint8_tuiInputs,uint8_tuiOutputs){uint32_tpasscode;// Create random passcodepasscode=tmos_rand();passcode%=1000000;passcode=520131;//和从机一样，如果有密码回调，就在密码回调里面设置密码// Display passcode to userif(uiOutputs!=0){PRINT("Passcode:%06d\n",(int)passcode);}// Send passcode responseGAPBondMgr_PasscodeRsp(connectionHandle,SUCCESS,passcode);}

我们再来看看测试结果，会进入密码回调函数，使用的是 Passkey Entry 配对方式 ：

如果密码不对，配对失败的情况（示例总，配对失败并不影响 notify 与数据读写，因为示例读写的特征值不需要加密读写）：

2.3 其他说明

1. HID 类型设备需要修改广播包，这个后面会有博文讨论 HID 类型设备；
2. 开发板不方便输入密码，所以开发板模拟某些设备的时候需要注意一下 IO 能力的合理配置。
3. 配对一般建议设置为示例默认的等待主机配对GAPBOND_PAIRING_MODE_WAIT_FOR_REQ，防止部分手机不接收从机发起的配对请求。
4. 示例中主机从机绑定过后，如果某一方重新烧录程序删除了 Flash 内容（删除了保存的绑定信息），需要将双方的绑定信息都删除再进行正常通信重新绑定，否则会出现问题。

结语

本文我们了解了一下配对绑定相关知识，也说明了沁恒微 EVT 代码中与配对绑定相关的代码， 希望能够帮助大家更好的理解 Ble 中的配对绑定相关问题。

好了，本文就到这里。谢谢大家！