ZigBee安全协议分析

ZigBee安全协议分析

胡浩

江汉大学 人工智能学院

摘要：ZigBee作为短距离无线通信的代表，其安全协议依然遵循现代密码学的基本原理，本文首先概述了Zigee安全协议，然后描述了ZigBee安全协议的各个阶段，包括配对阶段、身份认证与协商阶段、通信安全保护阶段，最后描述了ZigBee的设备安全。

关键字: ZigBee安全协议，认证与加密，设备安全

1. ZigBee安全协议概述

ZigBee 是一种安全的短距离无线通信系统，ZigBee安全协议提供了基本的安全功能。包括安全密钥创建、安全密钥传输、对称加密帧保护和安全设备管理，ZigBee安全协议流程经历了三个阶段，包括配对阶段、身份认证与协商阶段、通信安全保护阶段。

2. ZigBee配对阶段

配对用于在协调器节点和路由器或者终端节点之间形成关联。ZigBee支持对称密码体系，支持以下几种配置[1]：

（1）配置密钥：通过预配置的方法，将128bit共享密钥预配置在节点间。

（2）配置口令：用户在节点间上输入相同的口令。口令经过口令变换算法变换为128bit的共享密钥。

（3）配置bootstrap：从bootstrap获取口令，节点获取到bootstrap发送的口令，基于口令变换为 128bit的共享密钥。

（4）不配置任何信息：节点间直接配对，无需输入。

第一种配置方式无需输入和输出设备，是最方便的配置方式，也是ZigBee推荐的方式，第二种配置方式需要输入和输出设备，增加了成本，但可以证明用户在现场以强化安全，第三种方式需要额外的节点信任的第三方bootstrap，使网络更加复杂，但是若网络节点很多（ZigBee理论上支持4K的节点），则前两种方案网络中的共享密钥或口令为n*(n-1)/2（假设n为网络的节点数）[1]，密钥或口令数量极大，密钥或口令安全管理困难，而使用第三种配置方案，则口令数为n，大大减少了口令数，简化了口令的安全管理。第四种配置最为简单，对用户最友好，实际网络中大量使用，但极易受到中间人[1]攻击。在使用该配置时应小心谨慎，应该施加限制以便实现配对安全，比如在配对时，强制要求用户正确的按特定按键或者按键组合(按键次序必须正确)。当然只有用户确认对端节点在很近距离的时候(ZigBee作为短距离无线通信系统，其传输距离为数米或者数十米[2])，才进入这种配对状态。

通过四种配置，节点间安全的获得了共享密钥。

3. 身份认证与协商阶段

ZigBee配对配置完成之后，节点间通过配置的共享密钥进行身份认证，考虑到ZigBee的带宽，身份认证可以是单向或者双向的，使用基于对称密码体系中常用的挑战和应答方式进行身份认证。下面以节点间的双向认证为例描述ZigBee的身份认证和安全参数协商。

节点间首先进行双向身份认证，认证采取挑战应答方式。为防止重放攻击，认证携带随机数、时间戳或者序列号，由于ZigBee没有时间同步，因此采用序列号方式，ZigBee在身份认证的同时协商安全参数以提高效率，减少节点间交互的次数，协商的安全参数包括协商加密算法、报文认证算法、加密密钥和报文认证密钥。加密算法和报文认证算法的协商基于节点双方的安全能力，通常节点双方向对方指示自己支持的安全能力，双方通过交互，协商出安全性最高的算法。加密密钥和报文认证密钥从密钥协商算法（简化的ECDH算法）得到的主密钥推演而来。

为适应新的安全威胁，部分厂商在自定义的私有协议中，协调器节点还可以配置白名单，只有白名单中的设备才能建立关联。相应的，协调器节点也可配置黑名单，当认证失败次数超过阈值时加入黑名单。还有部分厂商在私有协议中支持简化版的隐私保护机制，协调器节点节点和路由器或者终端节点间建立关联之后，协调器节点给路由器节点或者终端节点分配临时ID。路由器节点或者终端节点在下次关联协调器节点时使用该临时ID作为节点身份。

4. 通信安全保护阶段

身份认证和安全参数协商完成之后，进入到安全保护阶段，节点间基于协商的安全参数（密码算法、密钥等）对通信进行安全保护。节点支持密钥更新机制[2]，会话密钥都设置了有效期，当会话密钥到期时，节点间进入密钥更新流程，用到期的会话密钥和其他参数产生新的会话密钥并加密传输，以更新节点之间的会话密钥。到期的会话密钥应该及时销毁。

5. 设备安全

除了上面描述的三个阶段，为了提高ZigBee节点抵抗攻击的能力，节点应满足一定的设备安全要求，包括安全存储、安全执行等方面。然而考虑到节点为资源十分受限的设备，其计算能力、存储能力和带宽都极为有限，且需要综合考虑节点的低功耗，设备安全不是必选项而是可选项。实际上，大部分厂商在节点上没有实现设备安全。

安全存储：重要信息的安全存储可以防止重要信息泄露或篡改。重要信息包括共享密钥、口令、用户身份、安全上下文（包括加密和报文认证算法、主密钥和会话密钥）等。节点存储不同用户的数据时，支持不同用户数据的安全访问控制机制(比如CL、ACL、ABAC

[3]）。

安全执行：当节点执行安全功能（包括加密、解密、身份和报文认证等）时，应该保证在安全环境中执行。应该支持bootstrap安全启动。

参考文献

[1] 现代密码学(第5版) 杨波 清华大学出版社 2017

[2] 嵌入式系统译丛:ZigBee无线网络与收发器 (美)法拉哈尼(ShahinFarahani) 著 北京航空航天大学出版社 2010

[3] 信息安全技术 杜学绘 任志宇 科学出版社 2021