蓝牙开发技术大全

蓝牙开发技术大全内容摘要：

扩展操作变为 48 位比特码组。 (4)扩展变换输出的 48位比特与子密钥 Ki 的 48 位比特按模 2 相加，输出的 48 位比特分为 8 组，每组 6 位。 (5)把每组 6 位比特进行密表 (S盒 )替代，产生 4 位比特。 输入的 6 位比特的第 6 两位决定密表内所要选择的行数，其余 4 位决定密表内的列数。 (6)把 8 组密表输出合并为 32 位比特，然后与本次乘积变换输入左组 Ci1 按位模 2 相加，即可得到第 i 次乘积变换的右 32 位输出 Ri。 2． 2 DES 算法的特点 DES 算法具有以下特点： (1)DES 的保密性仅仅取决于对密钥的保密，算法公开。 (2)在目前水平下，不知道密钥而在一定的时间内要破译 (即解析出密钥 K 或明文 )是不可 能的，至少要建立 2 56 或 2 64 个项的表，这是现有资源无法实现的。 (3)由于 “雪崩效应 ”，无法分而破之，一位的变化将引起若干位同时变化。 综上所述，由 DES 算法构建的蓝牙安全机制是可靠的，采用穷举方式攻击是不现实的。 假设有一台每秒完成一次 DES 加密的机器要用将近 1000 年的时间才能破译这个密码。 以上算法能够保持数据加密过程中与蓝牙标准所需参数的一致性，它与蓝牙算法产生的单元密钥在时间实现上同处一个数量级别，符合蓝牙规范要求。 本文首先重点讨论了蓝牙信息安全的机制构成，对其各部分的算法及实现步骤进行了详细说明。 然后对现有蓝牙规范安全性做了一定的评估，并根据其不足提出了由 DES 算法构建新的安全方案，能够给蓝牙在安全性要求较高的应用上提供一个安全设计的改进参考。 蓝牙跳频算法的改进与蓝牙家庭网络的研究 一般说来，一个蓝牙系统被 HCI（蓝牙主机控制接口规范）分为蓝牙模块和蓝牙主机两部分。 蓝牙模块实现 HCI 以下的底层协议软件及其模块间物理链路层的链接。 蓝牙主机控制蓝牙模块实现和其它蓝牙设备的通信和信息交互。 HCI 提供访问蓝牙模块的同一指令方式，主要目的是实现透明性。 HCI 传输层主要有下列 3 种： HCI USB。 HCI PCM。 HCI UART，有 4 种不同类型的包在此中被传送 —— HCI 命令、 HCI 事件、 ACL 数据和 SCL 数据，每个 HCI 包都以 HCI 指示头开始（分别表示为 0x01， 0x02， 0x03， 0x04）。 蓝牙模块执行 HCI 指令后，将以事件的形式返回给蓝牙主机。 本文中蓝牙模块采用爱立信公司提供的支持点对点连接的ROK101008 芯片。 在蓝牙网关端，从图 中可以看到蓝牙主机要通过串口和蓝牙模块相连，还要和 Inter相连，从而实现了通过 Inter 对蓝牙信息家电进行远程监控。 蓝牙主机通过 HCI UART 传输层向蓝牙主模块传送 HCI 命令，把它初始化为蓝牙主设备（ Master），进行查询，并发起连接，蓝牙信息家电则作为从设备（ Slave）等待连接。 蓝牙 PC 机的 Inter 接入 为了使无线家庭网络内的 PC 机和笔记本电脑通过蓝牙网关访问 Inter，必须实现蓝牙局域网接入应用模型 [2][8]。 该应用的实质就是由蓝牙技术提供对 PPP 点对点协议的支持，从而组成一个 PPP 的网络；由 LAP 负责在蓝牙网络和传统局域网（或 Inter）之间的 IP 包转发。 蓝牙网关作为模型中的局域网接入点（ LAP）， 家庭内的蓝牙 PC 机则作为模型中的数据终端（ DT）。 根据该应用模型的定义，在接入点能够达到的无线范围内，数据终端可以通过接入点随时随地实现 Inter 接入和数据收发。 下面首先对局域网接入应用模型作一个介绍。 实现蓝牙网关所需应用模型 —— 局域网接入 蓝牙规范中定义了局域网接入应用模型，在这个应用模型中数据终端通过局域网接入点以无线方式访问局域网，一旦连接成功，数据终端能够访问局域网提供的所有服务，就像是通过拨号网络连接到局域网上一样。 局域网接入应用规范（ LAN Access Profile） 定义了蓝牙设备如何在 RFCOMM 基础上采用PPP（ IETF 的点到点协议）接入局域网业务，同时还描述了如何使用同样的 PPP 机制形成一个包含两个蓝牙设备的网络。 该规范用到的协议及实体如图 所示： 图 局域网接入应用协议栈 该系统的协议栈采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量、协议的复用和分用等功能，大致可分为三个层次： （ 1）底层协议。 该层包括蓝牙协议基带（ Baseband）和链路管理层（ LMP）。 这部分协议一般固化在 Bluetooth 模块中，对应用而言是十分透明的。 （ 2）中间协议。 这是系统中需要开发的蓝牙协议部分（具体开发过程将在后面章节详细描述）。 包括逻辑链路控制与适应协议 L2CAP、业务发现协议 SDP 和串口仿真协议 RFCOMM。 在 GSM TS 的基础上经简化修改而成的 RFCOMM 是蓝牙的一个串行口仿真协议，位于 L2CAP 之上，它仿真 RS232 的传输信道和控制方式，为 PPP 层提供一个类似串口的虚拟通道。 （ 3）高层协议。 高层协议总的设计原则是尽量吸收现有的成熟协议。 该系统采纳的协议为PPP 和 UDP/TCP/IP。 PPP 是 IETF 的点到点协议，它运行在串口仿真协议 RFCOMM 之上，用于实现点到点的连接。 PPP 网络互联是通过 PPP 层获得 IP 分组并将其放置到局域网 LAN的机制。 这一特定的机制并不是局域网接入应用规范定义的，而是作为远程访问服务器（ RAS）产品应该具有的特性。 UDP/TCP/IP 由 IETF 定义，用于 Inter 上的通信。 主设备（ LAP）中的 LAN 部分专门用于直接进行局域网的访问。 此外， ME（ Manage entity）是在初始化、配置和连接管理期间合作执行过程的管理实体。 在这个应用规范中定义了两个设备 角色： l 局域网接入点（ LAP） —— 该蓝牙设备提供访问局域网的入口。 LAP 提供 PPP 服务器所能提供的服务。 PPP 连接基于 RFCOMM， RFCOMM 用来传输 PPP 分组和对 PPP 数据流进行流量控制。 l 数据终端（ DT） —— 使用 LAP 服务的蓝牙设备。 DT 是一个 PPP 客户机。 为了访问局域网，它必须同 LAP 之间建立 PPP 连接。 蓝牙网关是应用模型中的局域网接入点（ LAP） ,由它负责在蓝牙网络和传统局域网之间的IP 转发。 在该接入点可以达到的无线范围内，数据终端（ DT）通过它实现数据收发和 Inter接入。 如图 所示： 图 局域网接入应用模型 下面是 LAP 和 DT 之间通信的建立过程： （ 1） DT 首先发起设备查询消息，得到 DT 用户无线范围内的其他蓝牙远端设备的蓝牙地址。 （ 2） DT 启动 SDP（服务发现协议），向有回应的蓝牙远端设备发出服务查询请求。 从而确定一个能够提供 PPP/RFCOMM/L2CAP 服务的蓝牙远端设备，即 LAP。 DT 查询到可用的服务信息后，就可以开始建立连接。 （ 3）如果没有现存的基带物理链路，那么 DT 要与所选的 LAP 建立一条物理链路。 在物理连接建立后，设备执行相互 鉴权及加密密钥商议。 （ 4）由底层向上，逐层建立 L2CAP/RFCOMM/PPP 连接。 （ 5） PPP 层提供一种可选的高层鉴权机制，可采用适当的 PPP 机制来协商数据终端（ DT）使用的 IP 地址。 （ 6）在 PPP 连接上传送 IP 数据流。 （ 7）在任何时候， DT 或 LAP 都可以终止已建立的连接。 拆除连接的操作顺序与建立时正好相反。 以单时隙分组的发送为例，蓝牙 RFCOMM 和 PPP 连接建立以后的各层协议数据分组结构的变化过程简要图表示如下： 图 各层数据分组结构示意图 所有的 IP 包都以 RFC 1661[10]中规定的 PPP 封装来实现多协议封装， PPP 是个面向包的协议， RFCOMM 却期待串行数据流，因此， PPP 层必须使用 RFC 1662 中描述的串行机制 [11]。 L2CAP 层使用的最大传输单元（ MTU）由 RFCOMM 参数“最大帧尺寸”决定 [8]，通过使用专用服务接口可以输出 L2CAP 的 MTU。 高层协议负责在 MUT 区间内限制发往 L2CAP层的分组大小。 而 L2CAP 应用则将该分组分段成协议数据单元并送到下层。 如果 L2CAP直接位于基带的上一层， L2CAP 就应把分组分段成用于无线传输的基带数据分组。 典型情况下， L2CAP 在主机控制器接口 HCI 上运行，就把整块“数据块”发送到主控制器，再由主控制器将它们分段成为基带数据分组。 在目的地址为同一单元的其他 L2CAP 分组发送以前，所有与 L2CAP 分组相关联的 L2CAP 分组都必须先传送到基带。 基带分组负载头的 L_CH的值标志着是 L2CAP 分组的开始还是后续分段。 对于一个蓝牙 LAP 来说，它必须实现两方面的功能：一、通过蓝牙模块和蓝牙数据终端建立连接，进行通信；二、完成蓝牙协议和 LAN 协议（或 Inter 协议）间的转换。 第一个功能是通过蓝牙技术实现 DT 和 LAP 的通信。 由于 HCI 以下由底层协议软件负责的物理链路的建立通常可以由蓝牙模块 /适配器完成，因而实现 L2CAP 以上的协议软件和高层应用就成了我们的重点。 为此我们必须在 DT 和 LAP 上实现蓝牙的中间层协议 L2CAP、 SDP和 RFCOMM 等协议，然后通过在 DT 和 LAP 上分别运行我们开发的高层蓝牙应用程序，DT 和 LAP 之间就能够建立 RFCOMM 连接。 这样，蓝牙 LAP 和蓝牙数据终端之间的蓝牙连接完成，实现了 LAP 所要实现的第一个功能。 第二个功能的实现建立在蓝牙 RFCOMM 连接建立的基础上。 根据蓝牙局域网接入应用模型的定义， RFCOMM 连 接建立后， LAP 和 DT 之间可以进一步建立 PPP 连接。 此时 LAP 作为 PPP 服务器 (当然，这时 LAP 是直接连在局域网或 Inter 上的 )， DT 作为 PPP 客户机，建立 PPP 网络，通过此过程完成蓝牙协议与 PPP 协议的转换；同时通过代理服务器软件（ wingate、 sygate 等）通过 PPP 网络传送 IP 包，完成 PPP 协议与 LAN 协议的转换，进而完成蓝牙协议与 LAN 的转换过程。 为了实现上述功能以完成蓝牙局域网接入的应用，并充分利用 Windows 已有网络组件的功能，本文采取的方案是：利用蓝牙技术实现对标准串口的模拟， 设计蓝牙 RFCOMM 连接程序；同时使用 Windows 的直接电缆连接功能，采用 PPP 配置服务器端和客户机端，完成 PPP连接；在服务器端运行相应的代理服务器软件，完成蓝牙局域网接入应用。 局域网接入应用实现以后，蓝牙 PC 机或笔记本电脑就可以在蓝牙网关（ LAP）所能达到的无线范围内随时随地访问 Inter。 本方案协议栈结构如图 所示： 图 协议栈结构 图中蓝牙底层协议，包括蓝牙协议基带（ Baseband）和链路管理层（ LMP）一般固化在蓝牙模块中，蓝牙物理链路的建立通常就可以由蓝牙模块完成。 中间层协 议栈 BlueCode 是实现了蓝牙中间层协议包括 L2CAP、 SDP、 RFCOMM 等协议的功能模块 —— 动态链接库 ，它只留出几个接口函数（ BlueCode API）供用户调用。 这是我们要做的第一步开发。 用动态链接库技术实现蓝牙中间层协议的好处在于用户可以直接调用该动态链接库以实现蓝牙功能，而无需考虑蓝牙的底层和中间层协议。 蓝牙中间层协议实现以后，就是蓝牙串口应用规范的实现了，这是局域网接入应用实现的基础，也就是在 LAP 和 DT 之间建立 RFCOMM 连接。 根据局域网接入应用规范的定义，在RFCOMM 连接的基础上建立 PPP 连接，从而实现蓝牙协议和 PPP 协议的转换，接着在 LAP上运行代理服务器应用，实现 PPP 协议和 LAN（ TCP/IP）协议的转换。 这几部分的实现都将在后面章节作详细阐述。 局域网接入应用方案实现以后，就可以在蓝牙 PC 机或笔记本电脑（ DT）上运行 Inter 访问或局域网访问应用，通过蓝牙网关访问 Inter 或局域网。 蓝牙软件开发环境 我们的开发都在 Visual C++ 环境下进行。 Visual C++提供了 Windows 应用程序的集成开发环境，在这个环境下 ，用户既可以编写 C 风格的 32 位 Win32 应用程序，也可以利用 MFC类库编写 C++风格的应用程序，是目前编程效率较高的一种开发环境。 在开发中我们运用了动态链接库技术和多线程技术，下面介绍一下这两项技术的原理。 一．动态链接库的工作原理 [21][22] 动态链接库（ Dynamic Link Library，缩写为 DLL）是一个可以被其它应用程序共享的程序模块，其中封装了一些可以被共享的例程和资源。 动态链接库文件的扩展名一般是 dll，它和可执行文件（ exe）非常类似，区别在于 DLL 中虽然包含了可执行代码却不能 单独执行，而是提供了一组接口函数由 Windows 应用程序直接或间接调用。 动态链接是相对于静态链接而言的。 所谓静态链接是指把要调用的函数或者过程链接到可执行文件中，成为可执行文件的一部分。 换句话说，函数和过程的代码就在程序的 exe 文件中，该文件包含了运行。