黃一才，郁濱

信息工程大學(xué)密碼工程學(xué)院系統(tǒng)工程教研室，鄭州 450004

基于DSP協(xié)處理器的藍牙安全傳輸方案設(shè)計

黃一才，郁濱

信息工程大學(xué)密碼工程學(xué)院系統(tǒng)工程教研室，鄭州 450004

深入分析藍牙安全機制，結(jié)合藍牙芯片的特點，提出了一種藍牙安全傳輸方案，該方案通過重新分配片內(nèi)資源，用DSP協(xié)處理器處理相對復(fù)雜的密碼運算，解決了通過外部增加硬件增強藍牙安全性而帶來的信息“落地”、硬件復(fù)雜等問題。實驗結(jié)果表明，方案能在不影響藍牙數(shù)據(jù)傳輸速率的情況下增強藍牙通信安全，且能有效降低藍牙安全產(chǎn)品成本，實現(xiàn)方便，可靠性高。

藍牙單芯片；藍牙安全；DSP協(xié)處理器；藍牙核心協(xié)議棧；藍牙安全傳輸；算法庫

1 引言

自1998年藍牙規(guī)范發(fā)布以來，藍牙以其方便快捷的數(shù)據(jù)傳輸能力在手機、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而由于藍牙自身安全問題，限制了藍牙技術(shù)在一些如金融、軍事等高安全需求領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。

文獻[1-3]研究了藍牙自身安全機制，并指出藍牙協(xié)議在安全方面存在的弱點。文獻[4]對藍牙PIN（Personal Identification Number）安全進行分析，并利用一臺Pentium IV PC機在0.06 s時間內(nèi)破解了四位的PIN碼。文獻[5]詳細分析了一次中繼攻擊的實施過程，并指出藍牙缺乏用戶身份認(rèn)證是導(dǎo)致攻擊發(fā)生的根源。

針對藍牙自身所存在的安全問題，許多學(xué)者從不同角度提出了增強藍牙安全的方案。文獻[6-8]通過改進藍牙協(xié)議層，增加藍牙用戶認(rèn)證與訪問控制，有效保證了上層藍牙數(shù)據(jù)的安全。文獻[9]通過增加ARM、FPGA來實現(xiàn)藍牙“三芯片”安全傳輸。文獻[10-11]利用FPGA來實現(xiàn)了藍牙“雙芯片”安全增強方案。文獻[12]研究了基于片上系統(tǒng)（System On Chip，SOC）實現(xiàn)藍牙單芯片應(yīng)用開發(fā)的一般框架，但并未就藍牙單芯片內(nèi)藍牙安全傳輸方案作深入研究。文獻[13]研究了利用藍牙芯片內(nèi)XAP處理器實現(xiàn)密碼算法的一般方法，并給出了基于藍牙單芯片密碼算法的執(zhí)行性能，但并未就完整的藍牙安全增強方案進行研究。

以上研究盡管從不同方面增強了藍牙通信安全，但由于增加外部芯片導(dǎo)致藍牙信息“落地”，且增加了硬件復(fù)雜度。利用藍牙單芯片實現(xiàn)藍牙安全傳輸，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)“不落地”處理，在不增加額外硬件的前提下，保證藍牙數(shù)據(jù)傳輸速率，提高藍牙安全產(chǎn)品的安全性和方便性。

綜上所述，本文通過研究藍牙協(xié)議棧和藍牙芯片結(jié)構(gòu)特點，通過對藍牙芯片片內(nèi)資源的重新分配，設(shè)計基于藍牙單芯片的安全傳輸方案。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)計基于DSP（Digital Signal Processor）協(xié)處理器的算法庫結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)交互接口和算法庫啟動過程，最終實現(xiàn)藍牙單芯片安全傳輸。

2 安全傳輸方案設(shè)計

藍牙核心協(xié)議負責(zé)安全藍牙信道的建立與管理，并為上層藍牙應(yīng)用提供藍牙數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，是實現(xiàn)藍牙通信的關(guān)鍵協(xié)議層。因此，通過改進藍牙核心協(xié)議層可有效保護所有藍牙應(yīng)用的安全。

2.1 方案總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

藍牙鏈路層通過調(diào)用底層藍牙芯片提供的硬件安全算法實現(xiàn)藍牙設(shè)備認(rèn)證。結(jié)合藍牙協(xié)議棧特點，在L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）層與RFCOMM層，通過引入用戶認(rèn)證與訪問控制機制，增加用戶認(rèn)證與訪問控制模塊，加強對上層數(shù)據(jù)的細粒度保護，上層通過選擇應(yīng)用層加密，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)機密性保護?；谝陨纤枷?，設(shè)計基于DSP協(xié)處理器的藍牙單芯片安全傳輸方案總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于DSP協(xié)處理器的藍牙單芯片安全傳輸方案總體結(jié)構(gòu)圖

圖1中深色部分表示采用藍牙規(guī)范本身具備的安全模塊，淺色部分為藍牙安全增強模塊。方案總體結(jié)構(gòu)中各模塊的功能如下：

（1）硬件安全算法庫。該模塊是由藍牙規(guī)范定義、由藍牙芯片廠商在藍牙基帶層采用硬件形式實現(xiàn)的一系列安全算法，如E0算法，為上層協(xié)議運行提供數(shù)據(jù)運算服務(wù)。

（2）設(shè)備認(rèn)證模塊。該模塊主要通過藍牙規(guī)范定義的PIN認(rèn)證和安全配對過程，實現(xiàn)藍牙設(shè)備認(rèn)證。

（3）用戶認(rèn)證與訪問控制。該模塊在HCI（Host Controller Interface）層以上的藍牙核心協(xié)議（L2CAP、RFCOMM層）參與工作，負責(zé)對上層提供細粒度安全保護。

（4）應(yīng)用層加密。該模塊通過調(diào)用軟件算法庫中的加密算法對應(yīng)用層的敏感數(shù)據(jù)進行加密，達到對用戶數(shù)據(jù)的機密性保護。

（5）軟件安全算法庫。該模塊主要是由各種安全算法組成的安全算法庫，為HCI層以上的藍牙用戶認(rèn)證、應(yīng)用層加密等提供復(fù)雜計算能力。

軟件安全算法庫一般由計算開銷較大的密碼算法組成，是保證藍牙上層數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵模塊。藍牙通信過程中，XAP處理器主要負責(zé)運行藍牙協(xié)議棧，計算量較大的算法放在XAP處理器內(nèi)實現(xiàn)會使得藍牙通信速率急劇下降，影響通信質(zhì)量。與XAP處理器相比，芯片內(nèi)集成的DSP協(xié)處理器具有更高的數(shù)據(jù)處理能力，將密碼算法利用芯片內(nèi)的DSP協(xié)處理器來實現(xiàn)，不僅可以提高算法的執(zhí)行速度，而且可以最大限度地保證藍牙通信質(zhì)量。因此，在XAP處理器內(nèi)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)藍牙協(xié)議棧，L2CAP層以上安全機制所需要的安全算法，則通過DSP協(xié)處理器空間的安全算法庫實現(xiàn)，同時，由于藍牙音頻編解碼對計算速度要求較高且計算速度較快，仍由DSP協(xié)處理器來實現(xiàn)。

2.2 安全固件工作流程設(shè)計

CSR公司（Cambridge Consultants Ltd）提供了運行于BlueCore藍牙芯片上的藍牙協(xié)議棧（BlueStack），協(xié)議棧包括了藍牙核心協(xié)議及常用的上層應(yīng)用剖面。因此，在系統(tǒng)上電復(fù)位后，藍牙通信雙方通過PIN碼配對，實現(xiàn)設(shè)備認(rèn)證，并建立L2CAP連接，隨后調(diào)用DSP算法庫進行藍牙用戶認(rèn)證，根據(jù)認(rèn)證結(jié)果，為上層ACL （Asynchronous Connection-Oriented）應(yīng)用分配RFCOMM層連接端口，或為音頻數(shù)據(jù)流分配SCO（Synchronous Connection-Oriented）端口。上層應(yīng)用也可以調(diào)用DSP算法庫對數(shù)據(jù)進行加密，保證上層應(yīng)用層敏感數(shù)據(jù)安全。藍牙單芯片上實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)墓碳ぷ髁鞒倘鐖D2所示。

圖2 藍牙單芯片安全傳輸固件工作流程圖

在L2CAP層以上的安全機制中，所用到的安全算法均通過調(diào)用軟件算法庫接口來實現(xiàn)。因此算法庫的設(shè)計、算法庫與協(xié)議棧的數(shù)據(jù)傳遞問題是藍牙單芯片安全傳輸?shù)年P(guān)鍵。

3 DSP算法庫構(gòu)建方法研究

利用藍牙芯片內(nèi)的DSP協(xié)處理器構(gòu)建軟件算法庫是實現(xiàn)上層藍牙安全固件的關(guān)鍵。本章在文獻[14]研究的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)傳輸方式選擇、操作鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計以及算法庫啟動過程三個方面深入研究DSP算法庫的構(gòu)建方法。

3.1 算法庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)藍牙單芯片安全傳輸方案總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，算法庫接受由藍牙HCI層以上藍牙協(xié)議棧內(nèi)藍牙用戶認(rèn)證與應(yīng)用層加密模塊的調(diào)用，為相應(yīng)模塊提供復(fù)雜數(shù)據(jù)的快速計算能力，并將計算結(jié)果返回調(diào)用模塊。結(jié)合算法庫功能及藍牙芯片在DSP數(shù)據(jù)處理特點，設(shè)計基于DSP協(xié)處理器的算法庫結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 算法庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)

算法庫由算法選擇、算法參數(shù)設(shè)置、安全算法、臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)交互接口五個基本模塊組成，其中各模塊的基本功能如下：

（1）安全算法。該模塊是算法庫的核心，有安全傳輸方案中HCI層以上所有安全算法，包括認(rèn)證算法、協(xié)商算法、加密算法等。

（2）算法選擇。該模塊根據(jù)藍牙協(xié)議棧中安全模塊的要求，從安全算法模塊中選擇對應(yīng)的算法，為算法分配必要資源，建立適合算法運行的內(nèi)部環(huán)境，并啟動算法處理中斷進程。

（3）算法參數(shù)設(shè)置。該模塊負責(zé)接受由藍牙協(xié)議棧發(fā)送的算法可變參數(shù)，如密鑰、隨機數(shù)等，在算法選擇模塊正確調(diào)用安全算法的基礎(chǔ)上，為算法設(shè)置必要的運行參數(shù)。

（4）臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。該模塊主要負責(zé)安全算法運算過程中臨時數(shù)據(jù)變量的存儲，通過設(shè)置靜態(tài)表或循環(huán)緩沖的方式解決因算法去除與數(shù)據(jù)傳遞速率不匹配的問題。

（5）數(shù)據(jù)交互接口。該模塊主要負責(zé)與藍牙協(xié)議棧之間進行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)控制消息與數(shù)據(jù)流特點，選擇適合的數(shù)據(jù)交互方式，為算法庫正常運行提供必要數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

數(shù)據(jù)交互接口是實現(xiàn)DSP協(xié)處理器與藍牙棧之間數(shù)據(jù)傳遞的重要通道?；贒SP協(xié)處理器的算法庫與藍牙協(xié)議棧之間傳遞的數(shù)據(jù)包括控制類消息傳遞與應(yīng)用數(shù)據(jù)流兩類，下面對算法庫的數(shù)據(jù)交互操作接口進行進一步詳細設(shè)計。

3.2 數(shù)據(jù)交互接口設(shè)計

藍牙協(xié)議棧與DSP協(xié)處理器算法之間有三種通信方式：短消息（Short M essage）、長消息（Long M essage）、數(shù)據(jù)流（Stream）。其中短消息與長消息實現(xiàn)方式較為簡單，占用資源較少，數(shù)據(jù)流傳遞方式實現(xiàn)相對較為復(fù)雜，但數(shù)據(jù)傳遞速度快，適合批量數(shù)據(jù)集中場合。

（1）控制消息傳遞

在DSP協(xié)處理器算法庫中，控制消息主要包括算法庫啟動、停止指令，認(rèn)證、密鑰協(xié)商等，數(shù)據(jù)傳遞時機較為分散，數(shù)據(jù)量較小，因此可以采用消息傳遞機制來實現(xiàn)。

（2）應(yīng)用數(shù)據(jù)流傳遞

應(yīng)用數(shù)據(jù)流通常為需要算法處理的批量的用戶數(shù)據(jù)，如需要進行加解運算的明文或密文。由于數(shù)據(jù)流傳遞方式在批量數(shù)據(jù)傳遞時具有明顯的性能優(yōu)勢，因此可以采用數(shù)據(jù)流傳遞方式實現(xiàn)應(yīng)用批量傳遞。藍牙協(xié)議棧與DSP協(xié)處理器之間批量數(shù)據(jù)的傳遞過程如圖4所示。

圖4 批量數(shù)據(jù)傳遞過程示意圖

藍牙協(xié)議棧將待處理數(shù)據(jù)寫入MMU提供的虛擬寫端口，DSP完成對數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)寫入虛擬讀端口，并最終傳遞到藍牙協(xié)議棧。其中涉及三次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過程，即輸入流例程、變換流例程、輸出流例程，它們的功能分別是：

①輸入流例程。該例程主要負責(zé)將數(shù)據(jù)由輸入緩沖復(fù)制到DSP RAM空間內(nèi)的MMU讀端口緩沖。

②變換流例程。該例程主要負責(zé)DSP RAM空間內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP協(xié)處理器算法庫處理后，寫入輸出緩沖。

③輸出流例程。該例程主要負責(zé)將數(shù)據(jù)由DSP的MMU寫端口緩沖復(fù)制到MMU端口輸出緩沖。

其中輸入/輸出流對象用于在協(xié)議棧緩沖與cbuffer之間傳遞數(shù)據(jù)，操作函數(shù)利用cbops的庫操作$cbops. shift，通常采用定時中斷方式實現(xiàn)。變換流不僅實現(xiàn)了輸入緩沖與輸出緩沖之間的數(shù)據(jù)傳遞，而且完成了DSP數(shù)據(jù)處理，采用查詢方式實現(xiàn)。結(jié)合DSP協(xié)處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計變換流的三級操作鏈結(jié)構(gòu)圖5所示。

圖5 變換流三級操作鏈結(jié)構(gòu)

在變換數(shù)據(jù)流中，通常采用中斷方式對輸入緩沖中的數(shù)據(jù)進行實時處理。在變換數(shù)據(jù)流的中斷例程中，利用cbops操作結(jié)構(gòu)為每一個數(shù)據(jù)流建立三級操作鏈結(jié)構(gòu)，即定義變換流的數(shù)據(jù)流對象、操作符對象、操作函數(shù)列表，建立具有自動流控的數(shù)據(jù)流連接，并在操作函數(shù)列表中通過選擇算法庫中具體安全算法的入口地址實現(xiàn)對算法庫的調(diào)用。

3.3 算法庫啟動過程設(shè)計

DSP協(xié)處理器算法庫在虛擬機（VM，Virtual Machine）的控制下完成初始化，等待來自VM的控制指令，并根據(jù)需要為VM提供計算服務(wù)。在認(rèn)證與協(xié)商過程中，算法庫計算結(jié)果通過消息機制回傳給藍牙協(xié)議棧，而在應(yīng)用層加密時，密文直接通過數(shù)據(jù)流通道返回藍牙協(xié)議棧。圖6描述了一次應(yīng)用層數(shù)據(jù)加密過程中，啟動應(yīng)用層數(shù)據(jù)加密服務(wù)，建立帶自動流控的數(shù)據(jù)流傳遞機制，啟動算法庫的過程。

步驟1DSP處理器和RAM空間初始化。初始化后，各寄存器進入復(fù)位狀態(tài)，RAM空間清零，VM對DSP程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)初始化。

步驟2建立數(shù)據(jù)流連接。在VM的控制下建立藍牙協(xié)議棧與端口間雙向數(shù)據(jù)流連接。

步驟3啟動DSP處理器。VM向DSP發(fā)送處理器啟動指令，指令寄存器載入程序指令，數(shù)據(jù)地址發(fā)生器產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)地址。

步驟4設(shè)定DSP數(shù)據(jù)處理模塊的加密/解密模式。VM通過模式設(shè)定消息更新密鑰并生成算法各圈使用的圈子密鑰，為啟動信道加密算法做準(zhǔn)備。

步驟5執(zhí)行數(shù)據(jù)加/解操作。算法庫檢測DSP RAM輸入緩沖，有數(shù)據(jù)到來時，按算法分組長度將輸入緩沖內(nèi)的數(shù)據(jù)依次進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳遞到輸出端口。收到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束消息，算法處理完所有數(shù)據(jù)后結(jié)束本次操作。

圖6 應(yīng)用層加密中啟動DSP安全算法庫過程

4 實驗及結(jié)果分析

根據(jù)本文藍牙單芯片安全傳輸方案的設(shè)計思想，在兩臺主機之間建立安全藍牙信道，對藍牙應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸速率進行測試。

4.1 實驗方案設(shè)計

為了基于DSP協(xié)處理器的藍牙單芯片安全傳輸方案性能進行驗證，本文設(shè)計如圖7所示的實驗環(huán)境。

圖7 實驗環(huán)境示意圖

其中，藍牙芯片選用CSR公司的BC05藍牙模塊。測試過程中，藍牙模塊與主機之間通過UART連接，測試數(shù)據(jù)由主機1經(jīng)UART接口傳遞至BC05藍牙模塊，在藍牙模塊內(nèi)處理（如加密等）完成后經(jīng)藍牙信道傳遞到另一端藍牙接收模塊，藍牙接收模塊內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理（如解密等）后，經(jīng)UART接口傳遞至主機2。在主機1與主機2上對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收速率進行統(tǒng)計，得到實現(xiàn)數(shù)據(jù)。

為了對基于DSP協(xié)處理器的藍牙單芯片安全傳輸方案的數(shù)據(jù)傳輸性能進行測試，本文設(shè)計了以下三個對照實驗：

實驗1：在藍牙信道建立后，不啟用DSP協(xié)處理器算法庫，即藍牙信道中采用明文傳輸數(shù)據(jù)，即普通藍牙通信。

實驗2：依據(jù)文獻[13]的設(shè)計思想，在藍牙信道建立后，采用XAP處理器上的加密算法對協(xié)議棧數(shù)據(jù)包進行加密，即XAP方案。

實驗3（本文方案）：在藍牙信道建立后，啟用DSP協(xié)處理器算法庫對來自藍牙協(xié)議棧的數(shù)據(jù)包進行加密，并將處理結(jié)果返回藍牙協(xié)議棧。

4.2 結(jié)果分析

利用如圖7所示的實驗平臺，設(shè)定UART波特率為115 200，數(shù)據(jù)加/解密算法采用公開的AES算法（分組長度為128比特，密鑰長度為128比特，迭代次數(shù)為10次），對以上三個方案分別進行10獨立實驗，每次傳遞1 MB數(shù)據(jù)，記錄每次實驗數(shù)據(jù)，得到應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸速率如圖8所示。構(gòu)、數(shù)據(jù)交互接口、算法庫啟動過程三個方面對方案中的DSP協(xié)處理器算法庫的構(gòu)建方法進行了重點研究。實驗結(jié)果表明，利用DSP協(xié)處理器來實現(xiàn)計算量較大的密碼算法能夠盡量減少對藍牙數(shù)據(jù)傳輸速率的影響，實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)“不落地”處理，有效保證了藍牙數(shù)據(jù)傳輸安全。另外，本文僅對DSP處理器內(nèi)一種加密算法的執(zhí)行性能進行測試，當(dāng)DSP處理器內(nèi)運行多個復(fù)雜密碼算法后，對整個數(shù)據(jù)傳輸性能的影響仍有待進一步研究。同時，DSP協(xié)處理器算法庫的實現(xiàn)過程較為復(fù)雜，深入分析DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，研究提高DSP協(xié)處理器算法并行執(zhí)行性能也是需要重點研究的問題。

圖8 ACL數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸速率

從實驗3（本文）與實驗2[13]實驗結(jié)果可以看出，采用DSP協(xié)處理器算法庫實現(xiàn)的加密通信數(shù)據(jù)傳輸速率明顯高于XAP方案，因此采用DSP協(xié)處理器算法庫實驗對提高算法執(zhí)行速率，減少加密過程對藍牙傳輸速率的影響具有重要作用。

從實驗3（本文）與實驗1的實驗結(jié)果可以看出，采用DSP協(xié)處理器算法庫后數(shù)據(jù)加密傳輸速率與明文傳輸速率相當(dāng)，制約數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵在于UART通道或藍牙本身的數(shù)據(jù)傳輸。

綜上所述，基于DSP協(xié)處理器實現(xiàn)藍牙單芯片安全傳輸能夠滿足藍牙對數(shù)據(jù)傳輸速率要求，利用藍牙芯片內(nèi)的DSP協(xié)處理器實現(xiàn)藍牙單芯片安全傳輸是實際可行的。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合現(xiàn)有藍牙安全增強方案的設(shè)計方法及藍牙芯片的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種基于DSP協(xié)處理器的藍牙單芯片安全傳輸方案，并從DSP協(xié)處理器算法庫結(jié)

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HUANG Yicai,YU Bin

Department of Cryptography Engineering,Information Engineering University,Zhengzhou 450004,China

The Bluetooth security mechanism and the structure of the Bluetooth chip are analyzed,and then a Bluetooth security transmission scheme is proposed in this paper.By redistributing the in-chip resources,DSP coprocessor is used to deal with the comparative complex cryptographic algorithm.Contrasting with adding extra chip hardware,the proposed scheme solves the problem of information leakage and hardware complexity.Experimental results demonstrate that the scheme can not only enhance the communication security of Bluetooth and reduce the cost of Bluetooth security products, but also show s high reliability without influencing the Bluetooth transmission speed.

single Bluetooth chip;Bluetooth security;DSP coprocessor;Bluetooth core protocol stack;Bluetooth security transmission;algorithms library

A

TP309.1

10.3778/j.issn.1002-8331.1209-0122

HUANG Yicai,YU Bin.Design of bluetooth security transmission scheme based on DSP cop rocessor.Computer Engineering and Applications,2014,50（16）：81-85.

黃一才（1985—），男，助教，研究領(lǐng)域為短距離無線通信技術(shù)，信息安全；郁濱（1964—），男，博士，教授，研究方向為無線通信、系統(tǒng)工程、信息安全。E-mail：HuangYicai3698@163.com

2012-09-14

2012-11-12

1002-8331（2014）16-0081-05

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2012-12-18,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20121218.1521.013.htm l