ZigBee安全相关
ZigBee安全由AES加密算法和CCM操作方式作为安全方案,广泛使用在ZigBee联盟的通信协议中。ZDO层负责安全策略和安全配置的管理。
2. 配置
在Z-Stack协议栈中,安全网络配置默认是关闭的,如需开启,将SECURE设置为非0即可。
全局变量zgSecurityMode表示设备默认的安全模式
取值有以下几种情况:
全局安全模式 ZG_SECURITY_MODE |
模式含义 |
||
SECURE =0 |
ZG_SECURE_DYNAMIC=0 |
ZG_SECURITY_NONE |
|
SECURE非0 |
定义TC_LINKKEY_JOIN |
ZG_SECURITY_SE_STANDARD |
|
SECURE非0 |
定义了ZIGBEEPRO |
ZG_SECURITY_PRO_STANDARD |
Pro基本的安全设定 |
SECURE非0 |
其他 |
ZG_SECURITY_RESIDENTIAL |
住宅安全相关 |
1. 没有定义ZG_SECURE_DYNAMIC或者定义了ZG_SECURE_DYNAMI并且赋值为1
如果定义SECURE并且zgSecurityMode不为ZG_SECURITY_NONE,那么ZG_SECURE_ENABLED就定义为1,否则为0.
ZG_CHECK_SECURITY_MODE定义为 zgSecurityMode本身。
2. 如果ZG_SECURE_DYNAMIC没有定义为1,而是定义为其他值,
ZG_SECURE_ENABLED为SECURE值
ZG_CHECK_SECURITY_MODE为 ZG_SECURITY_MODE
逻辑关系如下:
默认密钥(defaultKey,也称为网络密钥),可以选用默认的,也可以自己定义。定义了DEFAULE_KEY时,选用默认秘钥,默认秘钥在f8wConfig.cfg文件里面。
如果没有定义DEFAULT_KEY的话,使用的密钥在nwk_golbals.c中的defaultKey数组中。
1. Default_Key密钥有两种使用方式。
zgPreConfigKeys设为TRUE时,预先配置到网络上的每个设备
zgPreConfigKeys设为FALSE,只配置在协调器上,然后明文分发给入网设备。这种缺点是,加入网络的期间成为”瞬间的弱点”,此时的密钥是明文传递的,容易被竞争对手通过侦听获取。
2. 协调器可以通过任何逻辑方法决定一个设备是否允许加入这个网络。
2.2通过修改ZDSeeMgr.c文件中的函数来实现自定义策略。
加入策略修改,ZDSecMgr.c文件中的ZDSecMgrDeviceValidate函数
ZDO接收到ZDO_NEW_DEVICE消息时,触发下面的调用流程。
ZDSecMgrNewDeviceEvent()
---->ZDSecMgrDeviceNew()
---->ZDSecMgrDeviceJoinDirect()
------>ZDSecMgrDeviceJoin()
----->ZDSecMgrDeviceValidate()
2.1加入时间窗口设置函数ZDSecMgrPermitJoining
此函数和允许加入命令请求相关联。
ZDO_ProcessMgmtPermitJoinReq
--->ZDSecMgrPermitJoining
3. 协调器可以根据自己的判断更新通用网络密钥
ZDO安全管理器(ZDSecMgr.c)通过
功能说明:加载一个新的NWK Key,并且触发网络密钥更新。允许协调器向网络中的所有设备广播新的网络密钥,此时,新的网络密钥将作为替代密钥保存在所有网络设备中。当协调器调用ZDSecMgrSwitchNwkKey时,一个全网范围内的广播将触发所有设备使用替换密钥。
ZDSecMgrUpdateNwkKey(key,keySeqNum,dstAddr)
|----------->AddrMgrEntryGet
|----------->APSME_TransportKeyReq
|----------->SSP_UpdateNwkKey
|----------->ZDApp_NVUpdate
功能说明:通过网络命令,更改使用的NWK密钥
ZDSecMgrSwitchNwkKey(keySeqNum,dstAddr)
|--------------->AddrMgrEntryGet
|--------------->APSME_SwitchKeyReq
|--------------->SSP_SwitchNwkKey
|--------------->ZDApp_NVUpdate
与安全相关的文件有,ssp.h,ssp_hash.h, nwk_global.c,
nwk_global.c中定义了默认的TCLinkKey:
DEFAULT_TC_LINK_KEY是在nwk_globals.h中定义的:
密钥类型(ssp.h文件中):
这六个密钥,可以划分为三类,
Master_key |
Link_Key |
|
信任中心 |
TC_MASTER |
TC_LINK |
应用程序 |
APP_MASTER |
APP_LINK |
网络安全 |
标准网络密钥(NWK) |
高强度网络密钥(NWK_HIGH) |
上述两者的最大默认值都为3
下面介绍每种密钥的使用场景:
1.TC_MASTER
由ZDO的事件处理循环ZDApp_event_loop里面的ZDApp_ProcessSecEvent来处理。
向ZDO发起ZDO_NEW_DEVICE事件,会触发新加入设备的请求。
ZDSecMgrNewDeviceEvent()
---->ZDSecMgrDeviceNew()
---->ZDSecMgrDeviceJoinDirect()
---->ZDSecMgrDeviceJoin()
---->
2. TC_MASTER
向ZDO的发起ZDO_SECMGR_EVENT事件,会触发安全管理事件,不断配置所有调用
ZDSecMgrEvent()
---->ZDSecMgrDeviceCtrlHandler() 设备控制命令
ZDSECMGR_CTRL_TK_MASTER:ZDSecMgrSendMasterKey 对待入网的设备发送主密钥
ZDSECMGR_CTRL_SKKE_INIT : ZDSecMgrEstablishKey 对待加入的设备启动SKKE模式
ZDSECMGR_CTRL_TK_NWK : ZDSecMgrSendNwkKey 对带入网的设备发送网络密钥
---->
ZDSecMgrDeviceCtrlSetup -->ZDSecMgrDeviceCtrlHandler--->ZDSecMgrSendMasterKey
安全相关初始化
main()----->zginit()--->zgPreconfigKeyInit()--->
ZDOInitDevice()----->ZDApp_SecInit()---->ZDSecMgrInit()
---->ZDSecMgrReadKeyFromNv()
---->SSP_UpdateNwkKey() 设置另一个network key
----->SSP_SwitchNwkKey() 激活新设置的network key
Z-Stack加密算法的开启方法
1. 将f8wConfig.cfg文件中设置为-DSECURE=1
2. 将ZGlobals.c中的zgPreConfigKeys修改为TRUE,表示
功能说明:向一个指定目的地址请求应用密钥
ZDSecMgrRequestAppKey(partExtAddr)
|------------>
数据链路层通过建立有效的机制保护信息安全。在每个数据帧中,如果开启了安全模式,则会传输安全帧。
在MAC层的FrameControl.SecureityEnabled位控制MAC层的安全(1:安全,0:非安全)。
MAC的安全控制域格式如下:
第一个字节为安全控制域,格式如下:
前三位定义了8种安全级别,分别定义如下:
MIC提供数据的可靠性验证,有32位,64位和128位。ENC提供数据的保密性,包括32位,64位和128位。
Key Identifier Mode有0 , 1 ,2 ,3。关系到Key键值的确定。0:Key由接收帧的帧头来决定。1:由Key Identifier Field子域一个字节结合macDefauleKeySource来决定。
2:Key由4字节的Key Source subfield域和1字节的Key Index Identifier子域来决定
3:Key由8字节的Key Source subfield和1字节的Key Identifier field来决定。
IEEE 802.15.4标准使用的MAC层是CCM模式,CCM为一种通用的认证和加密模式,
网络层的加密,在传送过程中,一般使用链接密钥对数据进行加密处理,如果连接密钥不可用,那网络层将利用网络密钥进行保护。
网络层对安全管理有责任,但是它存储开销更小,NWK对安全管理有责任,但其上一层控制着安全管理。
ZigBee采用三种基本密钥,分布为网络密钥、链接密钥和主密钥。它们在数据加密过程中使用。
网络密钥可以在MAC、NWK和应用层中应用。
主密钥和连接密钥可以在应用层及其子层中使用。
3. 网络访问控制
协调器有多种策略来决定是否允许设备入网。
3.1 时间窗口
协调器开启一个时间窗口,在此时间内,允许设备入网,时间到了后关闭窗口,之后,禁止设备入网。
相关函数:
uint8 ZDSecMgrPermitJoining( uint8 duration )
输入参数:0x00-->不允许设备加入
0xff--->始终允许设备加入
0x01~0xfe---->在指定时间内允许设备加入
全局变量ZDSecMgrPermitJoiningEnabled为真时,允许设备加入。
3.2 地址过滤
协调器根据请求入网设备的IEEE地址来决定是否允许设备入网。
4.密钥更新
协调器可以随时更新网络密钥,有几种策略来实现。一是设定为周期性更新网络密钥。二是通过用户输入指令来更新网络密钥。
ZDSecMgrUpdateNwkKey:允许协调器将新的网络密钥广播给网络中的所有设备。
ZDSecMgrSwitchNwkKey:进行全网的广播,触发所有设备进行密钥更新。此时的密钥是预先存在设备的flash上的。
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