【文章內容簡介】 擴展操作變?yōu)?48 位比特碼組。 (4)擴展變換輸出的 48位比特與子密鑰 Ki 的 48 位比特按模 2 相加，輸出的 48 位比特分為 8 組，每組 6 位。 (5)把每組 6 位比特進行密表 (S盒 )替代，產生 4 位比特。輸入的 6 位比特的第 6 兩位決定密表內所要選擇的行數(shù)，其余 4 位決定密表內的列數(shù)。 (6)把 8 組密表輸出合并為 32 位比特，然后與本次乘積變換輸入左組 Ci1 按位模 2 相加，即可得到第 i 次乘積變換的右 32 位輸出 Ri。 2． 2 DES 算法的特點 DES 算法具有以下特點： (1)DES 的保密性僅僅取決于對密鑰的保密，算法公開。 (2)在目前水平下，不知道密鑰而在一定的時間內要破譯 (即解析出密鑰 K 或明文 )是不可 能的，至少要建立 2 56 或 2 64 個項的表，這是現(xiàn)有資源無法實現(xiàn)的。 (3)由于 “雪崩效應 ”，無法分而破之，一位的變化將引起若干位同時變化。綜上所述，由 DES 算法構建的藍牙安全機制是可靠的，采用窮舉方式攻擊是不現(xiàn)實的。假設有一臺每秒完成一次 DES 加密的機器要用將近 1000 年的時間才能破譯這個密碼。以上算法能夠保持數(shù)據(jù)加密過程中與藍牙標準所需參數(shù)的一致性，它與藍牙算法產生的單元密鑰在時間實現(xiàn)上同處一個數(shù)量級別，符合藍牙規(guī)范要求。本文首先重點討論了藍牙信息安全的機制構成，對其各部分的算法及實現(xiàn)步驟進行了詳細說明。 然后對現(xiàn)有藍牙規(guī)范安全性做了一定的評估，并根據(jù)其不足提出了由 DES 算法構建新的安全方案，能夠給藍牙在安全性要求較高的應用上提供一個安全設計的改進參考。 藍牙跳頻算法的改進與藍牙家庭網(wǎng)絡的研究 一般說來，一個藍牙系統(tǒng)被 HCI（藍牙主機控制接口規(guī)范）分為藍牙模塊和藍牙主機兩部分。 藍牙模塊實現(xiàn) HCI 以下的底層協(xié)議軟件及其模塊間物理鏈路層的鏈接。藍牙主機控制藍牙模塊實現(xiàn)和其它藍牙設備的通信和信息交互。 HCI 提供訪問藍牙模塊的同一指令方式，主要目的是實現(xiàn)透明性。 HCI 傳輸層主要有下列 3 種： HCI USB 。 HCI PCM。 HCI UART，有 4 種不同類型的包在此中被傳送 —— HCI 命令、 HCI 事件、 ACL 數(shù)據(jù)和 SCL 數(shù)據(jù)，每個 HCI 包都以 HCI 指示頭開始（分別表示為 0x01， 0x02， 0x03， 0x04）。藍牙模塊執(zhí)行 HCI 指令后，將以事件的形式返回給藍牙主機。本文中藍牙模塊采用愛立信公司提供的支持點對點連接的ROK101008 芯片。 在藍牙網(wǎng)關端，從圖 中可以看到藍牙主機要通過串口和藍牙模塊相連，還要和 Inter相連，從而實現(xiàn)了通過 Inter 對藍牙信息家電進行遠程監(jiān)控。藍牙主機通過 HCI UART 傳輸層向藍牙主模塊傳送 HCI 命令，把它初始化為藍牙主設備（ Master），進行查詢，并發(fā)起連接，藍牙信息家電則作為從設備（ Slave）等待連接。 藍牙 PC 機的 Inter 接入 為了使無線家庭網(wǎng)絡內的 PC 機和筆記本電腦通過藍牙網(wǎng)關訪問 Inter，必須實現(xiàn)藍牙局域網(wǎng)接入應用模型 [2][8]。該應用的實質就是由藍牙技術提供對 PPP 點對點協(xié)議的支持，從而組成一個 PPP 的網(wǎng)絡；由 LAP 負責在藍牙網(wǎng)絡和傳統(tǒng)局域網(wǎng)（或 Inter）之間的 IP 包轉發(fā)。藍牙網(wǎng)關作為模型中的局域網(wǎng)接入點（ LAP）， 家庭內的藍牙 PC 機則作為模型中的數(shù)據(jù)終端（ DT）。根據(jù)該應用模型的定義，在接入點能夠達到的無線范圍內，數(shù)據(jù)終端可以通過接入點隨時隨地實現(xiàn) Inter 接入和數(shù)據(jù)收發(fā)。下面首先對局域網(wǎng)接入應用模型作一個介紹。 實現(xiàn)藍牙網(wǎng)關所需應用模型 —— 局域網(wǎng)接入 藍牙規(guī)范中定義了局域網(wǎng)接入應用模型，在這個應用模型中數(shù)據(jù)終端通過局域網(wǎng)接入點以無線方式訪問局域網(wǎng)，一旦連接成功，數(shù)據(jù)終端能夠訪問局域網(wǎng)提供的所有服務，就像是通過撥號網(wǎng)絡連接到局域網(wǎng)上一樣。 局域網(wǎng)接入應用規(guī)范（ LAN Access Profile） 定義了藍牙設備如何在 RFCOMM 基礎上采用PPP（ IETF 的點到點協(xié)議）接入局域網(wǎng)業(yè)務，同時還描述了如何使用同樣的 PPP 機制形成一個包含兩個藍牙設備的網(wǎng)絡。該規(guī)范用到的協(xié)議及實體如圖 所示： 圖 局域網(wǎng)接入應用協(xié)議棧 該系統(tǒng)的協(xié)議棧采用分層結構，分別完成數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數(shù)據(jù)的拆裝、業(yè)務質量、協(xié)議的復用和分用等功能，大致可分為三個層次： （ 1）底層協(xié)議。該層包括藍牙協(xié)議基帶（ Baseband）和鏈路管理層（ LMP）。這部分協(xié)議一般固化在 Bluetooth 模塊中，對應用而言是十分透明的。 （ 2）中間協(xié)議。這是系統(tǒng)中需要開發(fā)的藍牙協(xié)議部分（具體開發(fā)過程將在后面章節(jié)詳細描述）。包括邏輯鏈路控制與適應協(xié)議 L2CAP、業(yè)務發(fā)現(xiàn)協(xié)議 SDP 和串口仿真協(xié)議 RFCOMM。在 GSM TS 的基礎上經(jīng)簡化修改而成的 RFCOMM 是藍牙的一個串行口仿真協(xié)議，位于 L2CAP 之上，它仿真 RS232 的傳輸信道和控制方式，為 PPP 層提供一個類似串口的虛擬通道。 （ 3）高層協(xié)議。高層協(xié)議總的設計原則是盡量吸收現(xiàn)有的成熟協(xié)議。該系統(tǒng)采納的協(xié)議為PPP 和 UDP/TCP/IP。 PPP 是 IETF 的點到點協(xié)議，它運行在串口仿真協(xié)議 RFCOMM 之上，用于實現(xiàn)點到點的連接。 PPP 網(wǎng)絡互聯(lián)是通過 PPP 層獲得 IP 分組并將其放置到局域網(wǎng) LAN的機制。這一特定的機制并不是局域網(wǎng)接入應用規(guī)范定義的，而是作為遠程訪問服務器（ RAS）產品應該具有的特性。 UDP/TCP/IP 由 IETF 定義，用于 Inter 上的通信。主設備（ LAP）中的 LAN 部分專門用于直接進行局域網(wǎng)的訪問。 此外， ME（ Manage entity）是在初始化、配置和連接管理期間合作執(zhí)行過程的管理實體。 在這個應用規(guī)范中定義了兩個設備 角色： l 局域網(wǎng)接入點（ LAP） —— 該藍牙設備提供訪問局域網(wǎng)的入口。 LAP 提供 PPP 服務器所能提供的服務。 PPP 連接基于 RFCOMM， RFCOMM 用來傳輸 PPP 分組和對 PPP 數(shù)據(jù)流進行流量控制。 l 數(shù)據(jù)終端（ DT） —— 使用 LAP 服務的藍牙設備。 DT 是一個 PPP 客戶機。為了訪問局域網(wǎng)，它必須同 LAP 之間建立 PPP 連接。 藍牙網(wǎng)關是應用模型中的局域網(wǎng)接入點（ LAP） ,由它負責在藍牙網(wǎng)絡和傳統(tǒng)局域網(wǎng)之間的IP 轉發(fā)。在該接入點可以達到的無線范圍內，數(shù)據(jù)終端（ DT）通過它實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和 Inter接入。如圖 所示： 圖 局域網(wǎng)接入應用模型 下面是 LAP 和 DT 之間通信的建立過程： （ 1） DT 首先發(fā)起設備查詢消息，得到 DT 用戶無線范圍內的其他藍牙遠端設備的藍牙地址。 （ 2） DT 啟動 SDP（服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議），向有回應的藍牙遠端設備發(fā)出服務查詢請求。從而確定一個能夠提供 PPP/RFCOMM/L2CAP 服務的藍牙遠端設備，即 LAP。 DT 查詢到可用的服務信息后，就可以開始建立連接。 （ 3）如果沒有現(xiàn)存的基帶物理鏈路，那么 DT 要與所選的 LAP 建立一條物理鏈路。在物理連接建立后，設備執(zhí)行相互 鑒權及加密密鑰商議。 （ 4）由底層向上，逐層建立 L2CAP/RFCOMM/PPP 連接。 （ 5） PPP 層提供一種可選的高層鑒權機制，可采用適當?shù)?PPP 機制來協(xié)商數(shù)據(jù)終端（ DT）使用的 IP 地址。 （ 6）在 PPP 連接上傳送 IP 數(shù)據(jù)流。 （ 7）在任何時候， DT 或 LAP 都可以終止已建立的連接。拆除連接的操作順序與建立時正好相反。 以單時隙分組的發(fā)送為例，藍牙 RFCOMM 和 PPP 連接建立以后的各層協(xié)議數(shù)據(jù)分組結構的變化過程簡要圖表示如下： 圖 各層數(shù)據(jù)分組結構示意圖 所有的 IP 包都以 RFC 1661[10]中規(guī)定的 PPP 封裝來實現(xiàn)多協(xié)議封裝， PPP 是個面向包的協(xié)議， RFCOMM 卻期待串行數(shù)據(jù)流，因此， PPP 層必須使用 RFC 1662 中描述的串行機制 [11]。 L2CAP 層使用的最大傳輸單元（ MTU）由 RFCOMM 參數(shù)“最大幀尺寸”決定 [8]，通過使用專用服務接口可以輸出 L2CAP 的 MTU。高層協(xié)議負責在 MUT 區(qū)間內限制發(fā)往 L2CAP層的分組大小。而 L2CAP 應用則將該分組分段成協(xié)議數(shù)據(jù)單元并送到下層。如果 L2CAP直接位于基帶的上一層， L2CAP 就應把分組分段成用于無線傳輸?shù)幕鶐?shù)據(jù)分組。典型情況下， L2CAP 在主機控制器接口 HCI 上運行，就把整塊“數(shù)據(jù)塊”發(fā)送到主控制器，再由主控制器將它們分段成為基帶數(shù)據(jù)分組。在目的地址為同一單元的其他 L2CAP 分組發(fā)送以前，所有與 L2CAP 分組相關聯(lián)的 L2CAP 分組都必須先傳送到基帶。基帶分組負載頭的 L_CH的值標志著是 L2CAP 分組的開始還是后續(xù)分段。 對于一個藍牙 LAP 來說，它必須實現(xiàn)兩方面的功能：一、通過藍牙模塊和藍牙數(shù)據(jù)終端建立連接，進行通信；二、完成藍牙協(xié)議和 LAN 協(xié)議（或 Inter 協(xié)議）間的轉換。 第一個功能是通過藍牙技術實現(xiàn) DT 和 LAP 的通信。由于 HCI 以下由底層協(xié)議軟件負責的物理鏈路的建立通?？梢杂伤{牙模塊 /適配器完成，因而實現(xiàn) L2CAP 以上的協(xié)議軟件和高層應用就成了我們的重點。為此我們必須在 DT 和 LAP 上實現(xiàn)藍牙的中間層協(xié)議 L2CAP、 SDP和 RFCOMM 等協(xié)議，然后通過在 DT 和 LAP 上分別運行我們開發(fā)的高層藍牙應用程序，DT 和 LAP 之間就能夠建立 RFCOMM 連接。這樣，藍牙 LAP 和藍牙數(shù)據(jù)終端之間的藍牙連接完成，實現(xiàn)了 LAP 所要實現(xiàn)的第一個功能。 第二個功能的實現(xiàn)建立在藍牙 RFCOMM 連接建立的基礎上。根據(jù)藍牙局域網(wǎng)接入應用模型的定義， RFCOMM 連 接建立后， LAP 和 DT 之間可以進一步建立 PPP 連接。此時 LAP 作為 PPP 服務器 (當然，這時 LAP 是直接連在局域網(wǎng)或 Inter 上的 )， DT 作為 PPP 客戶機，建立 PPP 網(wǎng)絡，通過此過程完成藍牙協(xié)議與 PPP 協(xié)議的轉換；同時通過代理服務器軟件（ wingate、 sygate 等）通過 PPP 網(wǎng)絡傳送 IP 包，完成 PPP 協(xié)議與 LAN 協(xié)議的轉換，進而完成藍牙協(xié)議與 LAN 的轉換過程。 為了實現(xiàn)上述功能以完成藍牙局域網(wǎng)接入的應用，并充分利用 Windows 已有網(wǎng)絡組件的功能，本文采取的方案是：利用藍牙技術實現(xiàn)對標準串口的模擬， 設計藍牙 RFCOMM 連接程序；同時使用 Windows 的直接電纜連接功能，采用 PPP 配置服務器端和客戶機端，完成 PPP連接；在服務器端運行相應的代理服務器軟件，完成藍牙局域網(wǎng)接入應用。局域網(wǎng)接入應用實現(xiàn)以后，藍牙 PC 機或筆記本電腦就可以在藍牙網(wǎng)關（ LAP）所能達到的無線范圍內隨時隨地訪問 Inter。本方案協(xié)議棧結構如圖 所示： 圖 協(xié)議棧結構 圖中藍牙底層協(xié)議，包括藍牙協(xié)議基帶（ Baseband）和鏈路管理層（ LMP）一般固化在藍牙模塊中，藍牙物理鏈路的建立通常就可以由藍牙模塊完成。 中間層協(xié) 議棧 BlueCode 是實現(xiàn)了藍牙中間層協(xié)議包括 L2CAP、 SDP、 RFCOMM 等協(xié)議的功能模塊 —— 動態(tài)鏈接庫 ，它只留出幾個接口函數(shù)（ BlueCode API）供用戶調用。這是我們要做的第一步開發(fā)。用動態(tài)鏈接庫技術實現(xiàn)藍牙中間層協(xié)議的好處在于用戶可以直接調用該動態(tài)鏈接庫以實現(xiàn)藍牙功能，而無需考慮藍牙的底層和中間層協(xié)議。 藍牙中間層協(xié)議實現(xiàn)以后，就是藍牙串口應用規(guī)范的實現(xiàn)了，這是局域網(wǎng)接入應用實現(xiàn)的基礎，也就是在 LAP 和 DT 之間建立 RFCOMM 連接。根據(jù)局域網(wǎng)接入應用規(guī)范的定義，在RFCOMM 連接的基礎上建立 PPP 連接，從而實現(xiàn)藍牙協(xié)議和 PPP 協(xié)議的轉換，接著在 LAP上運行代理服務器應用，實現(xiàn) PPP 協(xié)議和 LAN（ TCP/IP）協(xié)議的轉換。這幾部分的實現(xiàn)都將在后面章節(jié)作詳細闡述。 局域網(wǎng)接入應用方案實現(xiàn)以后，就可以在藍牙 PC 機或筆記本電腦（ DT）上運行 Inter 訪問或局域網(wǎng)訪問應用，通過藍牙網(wǎng)關訪問 Inter 或局域網(wǎng)。 藍牙軟件開發(fā)環(huán)境 我們的開發(fā)都在 Visual C++ 環(huán)境下進行。 Visual C++提供了 Windows 應用程序的集成開發(fā)環(huán)境，在這個環(huán)境下 ，用戶既可以編寫 C 風格的 32 位 Win32 應用程序，也可以利用 MFC類庫編寫 C++風格的應用程序，是目前編程效率較高的一種開發(fā)環(huán)境。在開發(fā)中我們運用了動態(tài)鏈接庫技術和多線程技術，下面介紹一下這兩項技術的原理。 一．動態(tài)鏈接庫的工作原理 [21][22] 動態(tài)鏈接庫（ Dynamic Link Library，縮寫為 DLL）是一個可以被其它應用程序共享的程序模塊，其中封裝了一些可以被共享的例程和資源。動態(tài)鏈接庫文件的擴展名一般是 dll，它和可執(zhí)行文件（ exe）非常類似，區(qū)別在于 DLL 中雖然包含了可執(zhí)行代碼卻不能 單獨執(zhí)行，而是提供了一組接口函數(shù)由 Windows 應用程序直接或間接調用。 動態(tài)鏈接是相對于靜態(tài)鏈接而言的。所謂靜態(tài)鏈接是指把要調用的函數(shù)或者過程鏈接到可執(zhí)行文件中，成為可執(zhí)行文件的一部分。換句話說，函數(shù)和過程的代碼就在程序的 exe 文件中，該文件包含了運行