面向 Bluetooth Smart 應(yīng)用的低功耗無線 MCU

CC2640 R2是德州儀器推出的一款面向 Bluetooth Smart 應(yīng)用的低功耗無線 MCU。該芯片集成有Cortex M3內(nèi)核，可以運(yùn)行TI的BLE協(xié)議棧，具有功耗低，外設(shè)種類豐富，射頻性能好等特點(diǎn)。與CC2640相比，R2版本的芯片將部分協(xié)議棧遷移到了片內(nèi)的ROM中，留給客戶的應(yīng)用程序更多的Flash空間。CC2640R2芯片架構(gòu)及核心特點(diǎn)如下圖1所示。

而CC2640R2F本身集成有可以支持藍(lán)牙5.0的PHY，TI協(xié)議棧支持部分藍(lán)牙5.0的協(xié)議，如High speed，Long Range等等?；贑C2640R2F可以實(shí)現(xiàn)很多炫酷的應(yīng)用。不過有時(shí)候，有些應(yīng)用并沒有按鍵或者屏幕等輸入設(shè)備，要求APP輸入密碼與BLE從機(jī)配對(duì)后方可讀取BLE設(shè)備的數(shù)據(jù)，這篇文章就跟大家詳細(xì)聊聊如何用用戶自定義的密碼進(jìn)行配對(duì)。

本文所使用的軟硬件平臺(tái)如下：

本文是以hid_emu_kbd例程為參考。其他工程比如SimpleBLEPeripheral或者其他，都可以參照這個(gè)來修改。HID設(shè)備對(duì)BLE來說比較特殊，BLE的HID profile是規(guī)定HID設(shè)備必須配對(duì)和綁定的。

下圖是配對(duì)和綁定的基本流程。Initiator是連接中的主設(shè)備，responder是連接中的從設(shè)備。

BLE的配對(duì)與綁定則發(fā)生在連接之后。綁定是在配對(duì)之后發(fā)生的事，需不需要綁定取決于用戶在代碼里的設(shè)置。

上圖的phase 1和phase2是配對(duì)的過程。Phase 3是綁定的過程。要不要進(jìn)行phase 3，在phase 1發(fā)送配對(duì)請(qǐng)求的時(shí)候就已經(jīng)決定了，這個(gè)決定就是用戶在代碼里面的配置。

如果要用戶在配對(duì)過程中人為輸入密碼或進(jìn)行其他認(rèn)為操作，是在phase 2。而具體的誤認(rèn)為操作方式，也是在phase 1中決定，這個(gè)決定也是用戶在代碼里面的配置。其實(shí)phase 2能用到的配對(duì)有很多種方式，最簡(jiǎn)單的就是just works的方式，用大家都知道的000000作為配對(duì)密碼，這個(gè)方式很不安全，非常容易被破解。其實(shí)BLE到了4.2以上的版本，已經(jīng)有了用DH（Diffie–Hellman key exchange）方式交換密碼，這個(gè)方式已經(jīng)很安全，且密碼也是隨機(jī)產(chǎn)生的。

有些應(yīng)用場(chǎng)景可能需求比較特殊，產(chǎn)品需要自定義的配對(duì)密碼，所以要達(dá)到這個(gè)目的，就需要我們靈活配置配phase 1中的各個(gè)參數(shù)，這也是這篇文章的目的。

我們繼續(xù)以hid_emu_kbd為例，BLE配對(duì)phase 1所需要的幾個(gè)重要參數(shù)的配置在hidemukbd.c里，如下：

第一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是PAIRING_MODE，配對(duì)是由GAPBOND_PAIRING_MODE_INITIATE一端發(fā)起的，可以是主機(jī)，也可以是從機(jī)。本文中由手機(jī)（手機(jī)）發(fā)起配對(duì)請(qǐng)求，從機(jī)（CC2640R2）則被動(dòng)等待，所以需要將宏定義配置為GAPBOND_PAIRING_MODE_WAIT_FOR_REQ。

第二個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是MITM_MODE，MITM即Man In The Middle保護(hù)，如果MITM為FALSE，則說明不需要人參與中間，后面相應(yīng)的IO capabilities設(shè)置也會(huì)被忽略，但是為了使配對(duì)需要Passcode才能成功，必須要把MITM_MODE的宏定義設(shè)置為TRUE。

第三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是IO_CAPABILITIES，表示本機(jī)是否有輸入或者顯示的功能，比如GAPBOND_IO_CAP_DISPLAY_ONLY，表示可以將密碼顯示在屏幕上給操作人看，如果有I/O接口可以輸入密碼，也可以選擇GAPBOND_IO_CAP_KEYBOARD_ONLY。本文中將I/O capabilities的屬性設(shè)置為GAPBOND_IO_CAP_DISPLAY_ONLY，如下：

這樣做的目的就是告訴主機(jī)，我這邊能顯示配對(duì)密碼，最終用戶作為MITM，需要在主機(jī)那邊（手機(jī)上）跳出的窗口里輸入我從機(jī)這邊顯示的配對(duì)密碼就行。到這一步，phase 2要用的配對(duì)的方式就確定好了。但是這樣設(shè)置的話從機(jī)這邊顯示的密碼是隨機(jī)產(chǎn)生的6位數(shù)，并不是我們想要的自定義的固定6位數(shù)。

×注意，即使實(shí)際的從設(shè)備產(chǎn)品不帶顯示功能（沒屏幕），IO_CAPABILITIES配置成GAPBOND_IO_CAP_DISPLAY_ONLY，也是可以的，前提就是用自定義的固定6位數(shù)作為配對(duì)密碼，不然就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的6位隨機(jī)數(shù)沒地方顯示，就會(huì)無法完成配對(duì)。

接下來就來設(shè)置固定的6位數(shù)配對(duì)密碼來達(dá)到我們的目的。

CC2640R2的修改方式CC2541不同，CC2541可以參考這個(gè)帖子：https://e2echina.ti.com/question_answer/wireless_connectivity/bluetooth/f/103/t/112619

首先看一下哪里設(shè)置這個(gè)自定義配對(duì)密碼passcode的6位數(shù)。CC2640R2的這個(gè)Passcode隱藏的比較深，在bcomdef.h里，把宏定義改成你自己需要的密碼就可以了。這里設(shè)置成123412，注意這個(gè)密碼必須是6位。

那么這個(gè)默認(rèn)自定義passcode是怎么被用上的呢？

首先，就是要在初始化的時(shí)候注冊(cè)bond manager的回調(diào)：

這個(gè)回調(diào)的HidDev_PasscodeCB（）就是處理passcode請(qǐng)求的回調(diào)函數(shù)。

當(dāng)配對(duì)的phase 2被配置成前面提到的方式時(shí)，配對(duì)過程會(huì)觸發(fā)passcode請(qǐng)求，就會(huì)調(diào)用HidDev_passcodeCB（）。最終會(huì)觸發(fā)HidDev_processPasscodeEvt（）：

所以可以看到，只要其中pHidDevCB->passcodeCB這個(gè)回調(diào)為NULL，那么就會(huì)使用默認(rèn)自定義密碼，這樣就能達(dá)到目的。（如果這個(gè)回調(diào)不為NULL，那么就會(huì)調(diào)用這個(gè)回調(diào)來獲取密碼，那很有可能是應(yīng)用層用戶手動(dòng)輸入密碼或者其他方式。）

pHidDevCB這個(gè)回調(diào)是在應(yīng)用層用戶自己初始化的：

第三個(gè)回調(diào)函數(shù)就是passcodeCB，這個(gè)修改為NULL。

這個(gè)回調(diào)結(jié)構(gòu)體是在HidDev_Register（）被調(diào)用，并初始化給pHidDevCB指針的。

修改完了，為了調(diào)試的方便，我們把斷開連接后自動(dòng)廣播打開，在IAR開發(fā)環(huán)境中，右擊工程 -> Options -> C/C++ Compiler -> Preprocessor中Define Symbols里，把AUTO_ADV的值改為TRUE。

如果是用iPhone作為主機(jī)的話，有幾個(gè)連接參數(shù)要改一下，不然iOS會(huì)拒絕連接參數(shù)更新請(qǐng)求。

下面到了見證奇跡的時(shí)刻，拿出你的手機(jī)，以iPhone為例，由于是HID的工程，可以用iPhone自帶的藍(lán)牙界面：（如果不是HID工程，iOS上的lightblue app或者TI的sensorTag app都能做演示）

搜索到設(shè)備：

點(diǎn)擊搜索到的HID Keyboard，這樣會(huì)發(fā)起連接請(qǐng)求，自動(dòng)跳出密碼框：

輸入正確的預(yù)設(shè)6位密碼123412并點(diǎn)擊配對(duì)：

配對(duì)成功連接建立完成：

如果輸入密碼錯(cuò)誤，那么會(huì)連接建立失敗，重新回到最初界面：

為了加深理解，我們可以從空中抓包的log來看一下過程。下圖是配對(duì)成功后，連接進(jìn)行加密：

那么可以看到加密以后的數(shù)據(jù)就都是紅的，這是因?yàn)閟niffer沒法解析了，通過MITM方式配對(duì)是比較安全的模式。

那么如果iPhone上密碼輸入錯(cuò)誤，非指定密碼，CC2640R2就會(huì)直接回復(fù)Pairing Failed給iPhone：

iPhone就會(huì)立即斷開連接：

最后，靈活運(yùn)用前面提到過的配對(duì)參數(shù)搭配，能達(dá)到不同的配對(duì)場(chǎng)景效果。我們這里只是舉了一個(gè)例子，讀者有興趣的話可以自己嘗試一下各種搭配，這樣對(duì)理解BLE的安全機(jī)制也會(huì)很有幫助。

審核編輯：何安