藍牙

藍牙（Bluetooth）技術是低成本的、低功耗、無線連接的通信技術旨在為固定設備和移動設備建立短距離無線通信環境。藍牙技術的誕生解決了傳統線纜連接的不便和限制，使一些便攜式移動設備和計算機設備無需線纜即可連接互聯網，可以無線上網。

藍牙技術最初由愛立信開發，現在是一種已經納入國際標準的短距離通信技術，旨在替代連接便攜設備或固定設備的線纜，同時保持高安全性。藍牙從1開始.版本0，經過多次更新和改進，發展到現在的藍牙5.版本3，功能越來越多樣化。具有藍牙功能的設備可以通過短距離點對點網絡進行無線連接和通信，并使用跳頻技術傳輸信號，以實現抗干擾和安全性。藍牙技術已經廣泛應用于智能網聯汽車、語音傳輸、數據傳輸、智能家居、醫療保健等諸多領域。藍牙技術因其低功耗和高速度，也被用于物聯網設備的連接和通信，成為連接智能設備的重要手段。

意大利物理學家馬可尼在1895年發明了無線電報技術，這是人類歷史上第一次成功利用電磁波進行遠距離通信但當時的無線電技術還很原始，不穩定，無法實現可靠的短距離通信。隨著無線電技術的不斷發展，出現了一系列無線通信技術，如紅外通信技術、無線電遙控技術、無線對講技術等。20世紀初，除了無線通信技術，還出現了射頻技術在射頻技術的基礎上，發展了雷達技術微波技術等一系列技術雷達技術是利用射頻信號進行探測和測距的技術，而微波技術是利用高頻射頻信號進行通信和數據傳輸的技術這些技術解決了人與人之間的矛盾這在一定程度上滿足了短距離通信的需求，為藍牙技術的發展提供了寶貴的經驗和技術基礎。1994年，瑞典愛立信公司提出了短線連接無線電技術，由荷蘭電氣工程師雅克布斯研制·雅普·哈特森發明的，也就是藍牙技術的前身。瑞典愛立信公司，1998年、芬蘭諾基亞、美國IBM、日本東芝英國CSR等五家公司聯合宣布了藍牙項目，藍牙技術正式誕生。

版本與功能

自1994年問世以來，藍牙技術經歷了多次版本更新和改進。以下是各版本藍牙的主要特性和改進：

藍牙1.藍牙于1999年發布，被定義為傳輸速率范圍為748的低功耗無線技術-810kbit/s，易受同頻產品干擾，影響通信質量。

藍牙1.1：2001年發布，修訂了不兼容的數據格式，增加了抗干擾跳頻功能。

藍牙1.2：2003年，增加了AFH可調跳頻技術，主要針對現有的藍牙協議和802.11b/G之間相互干擾的問題得到了全面的改善。

藍牙2.發布于2004年，數據傳輸速率提高了三倍，能耗降低，連接的設備數量增加。開始支持雙工模式，即同時進行語音通信和文件傳輸/高質素圖片，2.版本0也支持立體聲操作。

藍牙2.1：發布于2007年，支持NFC（Nearly 33,356 games, 33,356 games of communication and shortrange communication）進行配對。

藍牙3.2009年發布，核心是引入Generic Alternate MAC/PHY（AMP）從而藍牙設備可以在各種高速無線技術中最大限度地利用更高的傳輸速率。

藍牙4.2010年發布，提出了低功耗藍牙、經典藍牙和高速藍牙三種模式，藍牙的傳輸距離增加到100米。

藍牙4.1：發布于2013年，通過LTE得到增強（Long-Term   evolution, longterm evolution）網絡互操作性，通過IPv6支持（互聯網 協議 版本 6，互聯網協議第6版）實現無線傳輸，這樣在家里、辦公室或公共場所的室內定位更加準確，同時提高了低功耗藍牙的安全性。 

藍牙4.2：2014年發布，提高了藍牙在物聯網應用中的安全性和互操作性，增加了對IPv6和6LoWPAN的支持（IPv6 over Low-Power   Wireless   Personal   Area   Network, Low Power Wireless Personal Area Network）在的支持下，藍牙的功耗降低。 

藍牙5.2016年發布，數據傳輸速率翻倍，傳輸距離提升至200m，大幅提升室內定位精度和連接密度。同時增加了多點連接、廣播擴展低能耗長距離連接等功能為物聯網應用提供了更強的支持。此外，藍牙5.0還引入了LE Coded PHY技術，提高了藍牙在高干擾環境下的穩定性和可靠性。

藍牙5.1：2019年發布，主要推出定向連接和定向廣播功能，通過接收方向信息進行定向連接和廣播，提高定位導航的精度。

藍牙5.2：2020年發布，提供了更高的數據傳輸速率和更低的延遲，增加了BLE廣播信道的帶寬，支持增強數據包，提高了藍牙在音頻傳輸中的性能。同時，藍牙5.2還介紹了LE Power Control的功能，可以動態調整藍牙設備的發射功率，從而達到更好的功耗優化。

藍牙使用2.在跳頻技術的支持下，在4GHz的ISM頻段實現了短距離無線通信。藍牙技術采用時分雙工傳輸方案在藍牙通信過程中，發射端和接收端的無線電設備采用跳頻技術，以預定的頻率序列發送和接收射頻信號，以達到抗干擾和保密的目的，并支持點對點和點對多點通信。此外，藍牙還采用時分多址技術，將時間分成許多小段，每個小段中不同的藍牙設備可以互不干擾地傳輸數據。藍牙的工作原理分為以下幾個部分：

藍牙通信的主從關系

在藍牙通信中，設備可以分為主設備和從設備。通信時，主設備通常是發起連接的設備，而從設備是響應連接請求的設備。主設備控制連接并處理數據傳輸，而從設備被動地接收并處理數據傳輸請求。連接過程中，主設備可以發送控制命令和數據傳輸請求，從設備只能響應這些請求，連接建立后可以轉換主從關系。

藍牙呼叫過程

藍牙呼叫過程通常涉及兩個設備之間的通信，其中一個是主設備并發起呼叫請求，另一個是從設備，它接受呼叫請求并做出響應。通話過程通常分為以下幾個步驟首先，主設備進行搜索，然后從設備必須處于可搜索狀態才能被找到。主設備找到從設備后，就會配對這時候就需要輸入從設備的PIN碼，有些設備不需要PIN碼就可以配對。配對完成后，主設備向從設備發送呼叫請求根據應用的不同，它可能是 ACL 數據鏈路呼叫或 SCO 語音鏈路呼叫鏈路建立成功后，主從之間可以進行雙向數據或語音通信。

藍牙數據傳輸應用

在藍牙數據傳輸應用中，一對一的串行數據通信是最常見的應用之一藍牙設備出廠前預先設置好兩個藍牙設備之間的配對信息，主終端預存從設備的 PIN 碼地址當兩個器件都上電時，鏈自動建立，透明串行傳輸，無需外圍電路介入。在一對一應用中，從設備可以設置為兩種類型一種是靜默狀態，即只能與指定的主設備通信，不被其他藍牙設備搜索；第二種是開發狀態，可以通過指定的主終端，也可以通過其他藍牙設備找到。

藍牙系統通常由天線單元組成、鏈接控制 (固件) 單元、鏈路管理(軟件)單元 和藍牙軟件(協議棧)單元，下面是對這些單元的詳細介紹。

天線單元

藍牙設備中的天線單元用于接收和發送無線信號。它可以是內置天線，也可以是外置天線模塊，它們通過天線連接器連接。天線元件的設計和實現符合藍牙規范中定義的射頻性能指標。

鏈接控制 (固件) 單元

鏈路控制單元負責管理藍牙設備的硬件和固件，以使其符合藍牙標準。它通常包括嵌入式微處理器和與微處理器交互的固件程序，該固件程序控制藍牙設備的操作和信號處理。它負責執行一些基本功能，如頻道掃描、發送和接收數據包并處理錯誤。

鏈路管理(軟件) 單元

鏈路管理單元是一個軟件組件，提供藍牙設備之間的通信。該單元實現藍牙協議的一部分，包括設備發現、連接、安全性、數據傳輸、斷開連接等。該單元還提供了一個狀態機來管理藍牙設備的狀態。

藍牙軟件(協議棧)單元

藍牙軟件單元也稱為協議棧。它是藍牙設備的核心部件，實現了藍牙協議的所有功能。一個協議棧通常包含多個子層，每個子層負責不同的任務，比如藍牙控制器層、藍牙主機層、L2CAP層、RFCOMM層、SDP層等。藍牙軟件單元與鏈路管理單元交互，控制藍牙設備的運行，確保它們與其他藍牙設備之間的正常通信。

藍牙協議

藍牙模式 s協議棧采用分層結構分別過濾和傳輸數據流、跳頻、數據頓傳輸、連接建立和釋放、鏈路控制、數據拆裝、服務質量、協議復用和解復用功能。藍牙協議棧中的協議根據用途不同可分為 43356層，即核心的協同首席運營官討論層、電纜替代協議層、電話控制協議層和可選協議層。

核心協議層

核心協議包括基帶協議、鏈路管理協議(LMP)邏輯鏈路控制和適配協議(L2CAP)服務發現協議(SDP)基帶協議的主要功能是保證藍牙設備之間的射頻連接，形成一個微微網；鏈路管理協議負責建立和設置每個設備的連接；邏輯鏈路控制和適配協議為上層提供服務；服務發現協議用于查詢設備信息和服務類型。

替代電纜協議層

備用電纜協議層包括串行電路仿真協議(RFCOMM)，RFCOMM 是模擬有線鏈路的無線數據模擬協議，符合ETSI 標準 07.10串口模擬協議，模擬藍牙基帶上的RS-232的控制和數據信號為使用串行連接實現數據轉換的上層服務提供傳輸能力，使藍牙設備可以模擬串行通信。

電話控制協議層

電話控制協議層包括二進制電話控制規范(TCS   binary)和AT-命令(AT-Command)，用于提供音頻通信的處理規范和相應的控制命令，使藍牙設備實現電話通話功能。

選用協議層

包括點對點協議(PPP)用戶數據報協議(UDP)傳輸控制協議/互聯網協議(TCP/IP)目標交換協議(OBEX)無線應用協議(WAP)無線應用環境(WAE)VCard、vCal、紅外移動通信(IrMC)和其他協議，主要用于實現藍牙設備的應用功能。

藍牙技術功耗低、低成本、短距離通信、多點連接、開放的接口標準和強大的抗干擾能力使其成為一種非常方便的無線通信技術，其特點如下：

低功耗

藍牙技術采用低功耗通信方式，延長了設備的使用壽命。藍牙連接時有四種工作模式，即主動模式、呼吸模式、Hold模式和sleep模式，主動模式處于正常工作狀態，其他模式指定為降低藍牙功耗。

低成本

隨著市場需求的增加，各供應商推出了自己的藍牙芯片和模塊，降低了藍牙產品的價格，并將其應用于廣泛的設備，如手機、耳機、手表等。

短距離通信

藍牙使用的是2.4GHz工作頻段，這個頻段的特點是傳輸距離比較短，藍牙的傳輸功率比較低，所以通信距離一般在10米左右，一般用于個人設備之間的通信。

多點連接

藍牙技術可以實現多點連接藍牙只有一個主設備，但它可以有多個從設備，這些從設備一起構成一個微微網通過時分復用，藍牙主設備可以按照一定的時序參與不同從設備的微微網連接，從而達到一個設備可以同時連接多個其他設備的目的。

開放接口標準

藍牙技術的接口是開放的，任何廠商都可以使用標準的藍牙接口進行開發。這有利于藍牙設備的相互兼容和交互，也促進了藍牙技術的普及和發展。

抗干擾能力

藍牙技術抗干擾能力強，工作頻率為2.4GHz左右，并且采用跳頻技術，可以在不同的頻率上傳輸，減少干擾和沖突。此外，藍牙還采用了自適應功率控制技術，可以根據通信環境的變化動態調整功率，從而保證通信質量的穩定可靠。

藍牙攻擊方式

藍牙攻擊有漏洞攻擊、藍牙劫持、藍牙竊聽、拒絕服務、攻擊的種類很多，有模糊測試攻擊成對竊聽等，其中漏洞攻擊又可分為跳頻時鐘攻擊、PIN碼問題攻擊、鏈路密鑰欺騙、加密密鑰流重復、鑒權過程/簡單安全配對中的密碼等。

漏洞攻擊

跳頻時鐘

藍牙傳輸采用自適應跳頻技術作為擴頻方式，因此跳頻系統中運行的計數器包含335628位、頻率為3.2kHz跳頻時鐘，使控制指令與時鐘嚴格同步、信息發送和接收的定時和跳頻控制，以減少傳輸干擾和差錯。但攻擊者往往通過攻擊跳頻時鐘干擾跳頻指令發生器和頻率合成器的工作，使藍牙設備無法正常通信，并利用電磁脈沖的強穿透性和傳播廣度竊聽通信內容和跳頻相關參數。

PIN碼問題

個人識別碼（PIN）它是四位，并且是加密密鑰和鏈接密鑰生成的唯一可靠來源。當連接兩個藍牙設備時，用戶需要在設備中輸入相同的 PIN碼來配對。因為 PIN碼很短，所以加密密鑰和鏈接密鑰的密鑰空間中的密鑰數量被限制為 10。在使用過程中，如果用戶使用過于簡單的PIN碼，并且長時間不更改PIN碼，或者使用內置固定PIN碼的藍牙設備，則更容易受到攻擊。

鏈路密鑰欺騙

通信過程中使用的鏈路密鑰是由設備中的固定單元密鑰生成的，其他信息在加密過程中被公開，可見鏈路密鑰存在很大漏洞。如果設備 A在與不同設備通信時使用其自己的單元密鑰作為鏈路密鑰，并且攻擊者通過使用已經與設備 a 3356通信的設備 C 獲得該單元密鑰，他可以通過偽造已經與設備 a 3356通信的另一設備 B 的設備地址并偽裝成 來通過a的認證來計算鏈路秘密。B偽裝成C亦然。

加密密鑰流重復

加密密鑰流由 EO算法生成，生成源包括主設備時鐘、鏈路密鑰等。在特定的加密連接中，只有主時鐘會改變。如果設備繼續使用超過 23.333，356小時，時鐘值將開始重復，從而生成與先前連接中使用的相同的密鑰流。重復的密鑰流很容易被攻擊者利用為漏洞，從而獲取傳輸內容的初始明文。

鑒權過程/簡單安全配對中的密碼

除了使用個人識別碼之外(PIN)除了配對，藍牙標準是從 V2.1 版本開始，增加了簡單的安全配對(安全 簡單 配對配對，SSP)方式。SSP模式比以前的PIN碼配對更方便PIN碼配對需要兩臺帶輸入模塊的配對設備同時輸入配對密碼，而SSP 只需要兩臺帶輸出模塊的配對設備確認屏幕上顯示的是同一個隨機數。通過設備搜索建立藍牙物理連接、生成靜態SSP接口、連接可以在認證的三個步驟中建立，但是靜態的SSP密碼很容易被中間人破解，因為SSP方法不提供中間人攻擊的保護。

藍牙劫持

藍牙劫持是對藍牙設備的攻擊，如智能手機或智能手環。藍牙的有效傳輸距離為10m，即10m以內可以搜索到其他使用藍牙功能的便攜設備并發送信息。攻擊者通過向支持藍牙的設備發送未經驗證的消息，對用戶發起藍牙劫持。實際的信息不會損害用戶 但它可以誘導用戶以某種方式作出反應或添加新的聯系設備 的通訊錄。這種消息攻擊類似于對電子郵件用戶的垃圾郵件攻擊和網絡釣魚攻擊。

藍牙竊聽

藍牙竊聽可以通過攻擊藍牙漏洞來實現。比如藍牙中的OBEX（Object exchange）協議，在早期的藍牙產品規范中，認證是不強制的，所以攻擊者可以利用這個漏洞，在沒有被攻擊手機提示的情況下，連接到被攻擊的手機，獲得添加刪除和修改手機中各種多媒體文件和短信通話記錄的權限，甚至可以通過手機命令撥打和接聽電話。具有攻擊功能的指令代碼被黑客寫入手機軟件，可以在網絡上下載。黑客通常使用圖形界面操作黑客軟件，當與其他手機配對成功后，就可以獲得對方手機的操作權限。

拒絕服務

藍牙容易受到拒絕服務的攻擊（DOS）攻擊。拒絕服務攻擊可能導致被攻擊設備的藍牙接口無法使用或耗盡設備的電池。這種類型的攻擊并不嚴重，因為使用藍牙需要物理距離，通常只需將設備移出有效范圍即可避免。

拒絕服務(DOS)攻擊的原理是在短時間內連續向被攻擊的目標發送連接請求，使被攻擊的目標無法與其他設備建立正常連接。藍牙的邏輯鏈路控制和適配協議規定，藍牙設備的高層協議可以接收和發送64 KB 數據包，類似于 ping 數據包針對這一特點，攻擊者可以發送大量ping包來占用藍牙接口，使藍牙接口無法正常使用。

模糊測試攻擊

模糊測試攻擊通過向目標藍牙設備發送完全隨機的數據包來測試目標藍牙設備的反應，并根據藍牙協議規范進行基于協議的漏洞挖掘，精心構造一些特殊格式的數據包發送給藍牙設備來挖掘存在的漏洞。比如藍牙協議棧的 L2CAP 包分析漏洞，或者采用 DoS攻擊的思想，不斷向藍牙手機發送大量的小溢出包，使智能手機的計算資源耗盡，從而形成DoS攻擊漏洞。

可以通過發送大量隨機構造的數據包來測試智能終端操作系統的健壯性。每次發送隨機構造的 L2CAP 信令數據包時，使用 BlueZ藍牙協議提供的 L2ping工具測試目標設備的響應。如果  L2 p  沒有響應或響應異常，則以此格式記錄數據包。通過分析這些數據包的共性，可以發現目標操作系統的漏洞。

配對竊聽

因為低位數字排列組合有限，藍牙 V2.0及更早版本的默認四位PIN碼容易被暴力破解。藍牙V4.0的LE配對也是一樣。攻擊者只要監聽到足夠的數據，就可以通過暴力破解的方式確定密鑰，模擬通信方，達到攻擊的目的。

隨著藍牙技術的發展，藍牙技術的應用越來越廣泛，包括智能網聯汽車領域、數據傳輸領域、語音傳輸領域和智能家居領域。

智能網聯汽車

藍牙技術在智能網聯汽車上的應用主要包括車載音頻傳輸、車載電話、車載信息娛樂系統等。通過藍牙技術，車載設備可以與智能手機或其他藍牙設備連接，實現音頻傳輸和電話功能同時，通過車載信息娛樂系統，還可以通過藍牙連接實現各種娛樂和信息服務。

數據傳輸

藍牙技術廣泛應用于數據傳輸領域。例如，藍牙技術可以將傳感器或其他設備的數據傳輸到智能手機或電腦上，實現數據采集、監控和處理。同時，電子鑰匙也可以通過藍牙技術實現、智能門鎖等應用，提高安全性和便利性。

語音傳輸

藍牙技術也廣泛用于語音傳輸應用。比如藍牙耳機或者音箱可以在手機上實現語音通話和音頻播放的功能，而藍牙麥克風可以在會議中使用、語音識別等場景。

智能家居

藍牙技術也廣泛應用于智能家居領域。例如，可以通過藍牙技術實現家庭音頻系統、智能照明控制系統、智能溫控系統等應用，實現更多的智能化、便捷的家居生活。