Bluetooth Low Energy Overview

Beginning with Windows 8, Bluetooth Low Energy introduces a new physical layer that shares the same frequency space as Bluetooth Basic Rate. Profiles that are developed on this technology are organized into the Generic Attribute Profile (or GATT).

Each profile defines the use of one or more services to create a use case or scenario. Compliant service implementations are constructed from characteristics organized in a way that conforms to the established schema defined on the Bluetooth Special Interest Group developer website.

The diagram below illustrates the way objects are structured inside a typical GATT service.

When a Bluetooth Low Energy device is paired with a Windows 8 machine, the device becomes part of the system and Windows will provide device objects to represent both the device and the primary services reported by the device.

Each device and its primary services are represented as device objects in Windows and these device objects can be queried and managed using the device installation functions such as SetupDiEnumDeviceInfo, and SetupDiGetDeviceProperty.

In addition to the standard Bluetooth Profile Driver functions, Windows 8 introduces new Bluetooth Low Energy functions which allows for the development of Bluetooth GATT client applications.

These functions allows for the enumeration of services and their objects (including services, characteristics and their descriptors) as well as read and write capabilities.

Bluetooth с низким энергопотреблением Bluetooth Low Energy

Bluetooth с низким энергопотреблением (LE) является спецификацией, определяющей протоколы для обнаружения и обмена данными между энергоэффективными устройствами. Bluetooth Low Energy (LE) is a specification that defines protocols for discovery and communication between power-efficient devices. Обнаружение устройств выполняется с помощью протокола Generic Access Profile (GAP). Discovery of devices is done through the Generic Access Profile (GAP) protocol. После обнаружения обмен данными между устройствами выполняется с помощью протокола Generic Attribute (GATT). After discovery, device-to-device communication is done through the Generic Attribute (GATT) protocol. В этом разделе содержится краткий обзор Bluetooth с низким потреблением в приложениях UWP. This topic provides a quick overview of Bluetooth LE in UWP apps. Более подробные сведения о Bluetooth с низким энергопотреблением см. в разделе Основные характеристики Bluetooth версии 4.0, где представлена технология Bluetooth с низким энергопотреблением. To see more detail about Bluetooth LE, see the Bluetooth Core Specification version 4.0, where Bluetooth LE was introduced.

Роли GATT и GAP были представлены в Windows 10 версии 1703 GATT and GAP roles were introduced in Windows 10 version 1703

Протоколы GATT и GAP можно внедрить в приложение UWP с помощью указанных ниже пространств имен. GATT and GAP protocols can be implemented in your UWP app by using the following namespaces.

Центральное и периферийное устройство Central and Peripheral

Две основные роли обнаружения называются центральное устройство и периферийное устройство. The two primary roles of discovery are called Central and Peripheral. Как правило, Windows работает в режиме центрального устройства и подключается к различным периферийным устройствам. In general, Windows operates in Central mode and connects to various Peripheral devices.

Атрибуты Attributes

Распространенная аббревиатура, которую можно увидеть в API Windows Bluetooth, — это Generic Attribute (GATT). A common acronym you will see in the Windows Bluetooth APIs is Generic Attribute (GATT). Профиль GATT определяет структуру данных и режимы работы, по которым взаимодействуют два устройства Bluetooth с низким энергопотреблением. The GATT Profile defines the structure of data and modes of operation by which two Bluetooth LE devices communicate. Атрибут является основным блоком построения GATT. The attribute is the main building block of GATT. Основными типами атрибутов являются службы, характеристики и дескрипторы. The main types of attributes are services, characteristics and descriptors. Эти атрибуты действуют по-разному между клиентами и серверами, поэтому полезнее обсудить их взаимодействие в соответствующих разделах. These attributes perform differently between clients and servers, so it is more useful to discuss their interaction in the relevant sections.

Служба частоты пульса выражена в форме API на сервере GATT The heart rate service is expressed in GATT Server API form

Клиент и сервер Client and Server

После установления подключения устройство, которое содержит данные (обычно небольшой датчик IoT или носимое устройство), называется сервером. After a connection has been established, the device that contains the data (usually a small IoT sensor or wearable) is known as the Server. Устройство, которое использует данные для выполнения функций, называется клиентом. The device that uses that data to perform a function is known as the Client. Например, компьютер под управлением Windows (клиент) считывает данные с монитора частоты пульса (сервер) для отслеживания оптимальных тренировок пользователя. For example, a Windows PC (Client) reads data from a heart rate monitor (Server) to track that a user is working out optimally. Дополнительные сведения см. в разделах Клиент GATT и Сервер GATT. For more information, see the GATT Client and GATT Server topics.

Наблюдатели и издатели (маяки) Watchers and Publishers (Beacons)

Кроме ролей центрального и периферийного устройств, существуют роли наблюдателя и вещателя. In addition to the Central and Peripheral roles, there are Observer and Broadcaster roles. Вещатели обычно называются маяками, они не взаимодействуют через GATT, поскольку используют ограниченное пространство, предоставленное в пакете объявления для передачи данных. Broadcasters are commonly referred to as Beacons, they don’t communicate over GATT because they use the limited space provided in the Advertisement packet for communication. Аналогично наблюдатель не должен устанавливать подключения для получения данных, он сканирует ближайшие рекламные объявления. Similarly, an Observer does not have to establish a connection to receive data, it scans for nearby advertisements. Чтобы настроить Windows для отслеживания ближайших рекламных объявлений, используйте класс BluetoothLEAdvertisementWatcher. To configure Windows to observe nearby advertisements, use the BluetoothLEAdvertisementWatcher class. Чтобы транслировать полезные данные маяка, используйте класс BluetoothLEAdvertisementPublisher. In order to broadcast beacon payloads, use the BluetoothLEAdvertisementPublisher class. Дополнительные сведения см. в разделе Рекламные объявления. For more information, see the Advertisement topic.

HackWare.ru

Этичный хакинг и тестирование на проникновение, информационная безопасность

Что такое Bluetooth Low Energy (BLE) и как его взламывают

Чтобы вы не ушли пока читаете скучную теорию — в этой статье я буду взламывать свою зубную щётку…

Bluetooth, как мы знаем, является одной из самых популярных и широко используемых беспроводных технологий в современном мире. В связи с быстрым ростом IoT, ускоряющим развитие технологии Bluetooth, Специальная группа по интересам Bluetooth (Bluetooth Special Interest Group (SIG)) предпринимает постоянные усилия по увеличению скорости передачи с максимальным акцентом на маяки, развлечения, сферу здравоохранения и фитнес.

Примечание: IoT — «Интернет вещей», термин относится к совокупности разнообразных устройств, обычно более простых, чем персональный компьютер, которые подключены к Интернету.

Bluetooth Low Energy (BLE) является частью спецификации Bluetooth 4.0, которая также включает протоколы классического Bluetooth и протокол высокоскоростного Bluetooth (Classic Bluetooth and Bluetooth High Speed Protocols). По сравнению с классическим Bluetooth, BLE предназначен для использования меньшей мощности при сохранении аналогичного диапазона связи. BLE — это технология, которая всегда отключена и передаёт только короткие объёмы данных, когда это необходимо. Это значительно снижает энергопотребление, что делает его идеальным для использования в случаях, когда требуется постоянное долговременное соединение с низкой скоростью передачи данных. BLE идеально подходит для пульта дистанционного управления телевизором, но не для беспроводного устройства потоковой передачи мультимедиа, которому для передачи требуется большой объем данных.

Bluetooth Low Energy встроен во многие гаджеты, которые мы используем сегодня. От смартфонов, умных телевизоров, передовых технологий, таких как медицинское оборудование, до базовых устройств, таких как наши кофемашины, — все используют BLE.

Изначально Nokia разработала BLE для собственного проекта под названием «WIBREE», который впоследствии был передан Bluetooth SIG. BLE был задуман с акцентом на лучшую скорость сопряжения и энергоэффективность.

Что выделяет BLE?

• Обеспечивает многоплатформенную связь: может легко общаться через большое количество устройств, работающих на Android, iOS, Linux, Windows Phone, Windows 8 и OS X
• Лучшая скорость сопряжения
• Помогает поддерживать связь в течение более длительных периодов времени
• Значительно ниже затраты на внедрение
• Энергоэффективный

На бумаге BLE выглядит хорошо, а как на практике?

Это хороший вопрос с точки зрения безопасности. Дело в том, что BLE — это просто протокол. Изготовители должны безопасно внедрить BLE в своё устройство. Известно, что даже самый сильный криптографический протокол не будет работать, если генератор случайных чисел не является «достаточно случайным». То же самое относится и к BLE. Таким образом, можно сказать, что безопасность BLE лежит в руках его исполнителей.

В то время как все устройства Bluetooth с низким энергопотреблением были разработаны с основной целью улучшения взаимодействия с пользователем, безопасность заняла последнее место во время процесса?

Давайте посмотрим на три основные уязвимости, которым BLE могут подвергать своих пользователей:

1. Подслушивание: как следует из названия, подслушивание относится к стороннему устройству, прослушивающему данные, которыми обмениваются два сопряжённых устройства. Соединение между двумя сопряжёнными устройствами означает цепочку доверия. Цепь разрывается при удалении одного из устройств. Злоумышленник может использовать номер устройства для доступа к другим Bluetooth-устройствам. Даже если ключи шифрования/расшифровки должны были быть удалены, атакующий может офлайн брутфорсить ПИН, используя Bluetooth Sniffer (на основе идентификатора устройства). Как только PIN-код будет получен, устройство может быть легко взломано.
2. Атаки «человек посередине» (MITM). Атаки «человек посередине» включают стороннее устройство, имитирующее законное устройство, обманывая два легитимных устройства, заставляя их поверить в то, что они связаны друг с другом, когда на самом деле законные устройства подключены к имитатору (посреднику). Этот тип атаки позволяет злоумышленнику/имитатору получить доступ ко всем данным, которыми обмениваются устройства, а также манипулировать данными, удаляя или изменяя их, прежде чем они достигнут соответствующего устройства.
3. Отказ в обслуживании и Fuzzing атака. Поскольку большинство беспроводных устройств в наши дни работают на встроенных аккумуляторных батареях, эти устройства подвержены риску атак типа «отказ в обслуживании» (DoS). DoS-атаки подвергают систему частым сбоям, приводящим к полному истощению её батареи. Fuzzing атаки также приводят к сбою систем, поскольку злоумышленник может отправлять искажённые или нестандартные данные на радиомодуль устройства Bluetooth и проверять его реакцию, что в конечном итоге может сбить с толку устройство.

Итак, резюмируя, по своей задумке BLE это упрощённая версия Bluetooth, которая всегда не меняет каналы (частоты), что облегчает сниффинг и атаку человек-посередине. BLE не имеет встроенного протокола обеспечения безопасности. Реализация безопасности BLE возложена на производителей конечных устройств, которые не всегда подходят к этому добросовестно. По этой причине многие BLE устройства можно легко обнаружить практически в любое время их работы. При этом зачастую они не содержат каких-либо механизмов для ограничения чтения и даже записи на них, то есть открыты для подключения и модификации кому угодно.

Основные понятия в BLE

В BLE есть два основных понятия.

• GAP — Generic Access Profile (общий профиль доступа)
• GATT — Generic Attribute Protocol (протокол общих атрибутов)

Общий профиль доступа (GAP)

Он ответственен за подключение и распространения информации о наличии устройства BLE. GAP отвечает за видимость устройства во внешнем мире, а также играет важную роль в определении того, как устройство взаимодействует с другими устройствами.

Следующие две концепции являются неотъемлемой частью GAP:

Периферийные устройства. Это небольшие устройства с низким энергопотреблением, которые могут подключаться к сложным, более мощным центральным устройствам. Монитор сердечного ритма является примером периферийного устройства.

Центральные устройства: в основном это мобильные телефоны или гаджеты с увеличенной памятью и вычислительной мощностью.

Advertising process (обеспечение видимости устройства)

Процесс обнаружения устройств заключается в том, что Периферийное устройство в заданные интервалы отправляет в округу данные о своём существовании. Если эти данные получит Центральное устройство, то оно отправит запрос на сканирование. В ответ Периферийное устройство пришлёт данные результата сканирования.

Периферийное устройство будет отправлять «рекламные» данные каждые 2 секунды. Если центральное устройство готово прослушать рекламные пакеты, оно ответит запросом сканирования. В ответ на этот запрос периферийное устройство отправит данные ответа сканирования. Таким образом, центральное и периферийное устройства узнают друг о друге и связывается друг с другом.

Протокол общих атрибутов (GATT)

Используя общий протокол данных, известный как протокол атрибутов, GATT определяет, как два устройства BLE обмениваются данными друг с другом, используя понятия — сервис (service) и характеристика (characteristic). Этот протокол сохраняет все сервисы и характеристики в справочной таблице с использованием 16-битных идентификаторов, как указано в Bluetooth SIG. Важно отметить, что GATT инициируется только после того, как Advertising процесс, регулируемый GAP, завершён.

Две основные концепции, которые образуют GATT

• Сервисы (service)
• Характеристики (characteristic)

Сервисы

Сервисы можно представить просто как шкаф, в котором может быть много ящиков, которые в свою очередь называются характеристиками. Сервис может иметь много характеристик. Каждый сервис уникален сам по себе с универсально уникальным идентификатором (UUID), который может быть размером 16 бит для официальных адаптированных сервисов или 128 бит для пользовательских сервисов.

Характеристики

Характеристики являются наиболее фундаментальным понятием в рамках транзакции GATT. Характеристики содержат одну точку данных и схожи с сервисами, каждая характеристика имеет уникальный идентификатор или UUID, который отличается от другой характеристики.

Вот спецификации SIG для характеристик и сервисов для устройств BLE. Любое устройство BLE, которое официально приняло UUID от SIG, должно использовать идентификатор, указанный ими в своих приложениях.

Например, официальный UUID мощности передачи (TX power) в соответствии с мандатом SIG равен 0x1804.

Чтобы было наглядно, посмотрите на этот пример сервисов и характеристик конкретного устройства:

В нём «Generic Access (1800)» — это 16-битный сервис. Внутри этого сервиса, следующие 16-битные характеристики:

Ещё один 16-битный сервис это «Generic Attribute (1801)», он содержит только одну 16-битную характеристику: Service Changed (2a05).

Далее идут три 128-битные сервиса, первый из них «a0f0fff050474d5382084f72616c2d42», содержит четыре 128-битных характеристики:

Имеется проблема в идентификации сервисов и характеристик. Для 16-битных сервисов и характеристик всё просто, ссылки на их значения даны выше. Что касается 128-битных сервисов и характеристик, то они у каждого производителя могут быть свои. То есть нужно приложит некоторые усилия, чтобы, к примеру, сопоставить что-то вроде d0611e78-bbb4-4591-a5f8-487910ae4366 с чем-то вроде Apple Continuity Service. Для сопоставления можно использовать как минимум два подхода:

• анализ приложения для управления устройством (многие устройства имеют программы под Android)
• фаззинг — ввод различных данных и наблюдение за устройством, что в нём поменялось

Как взломать Bluetooth Low Energy

Суть процесса взлома Bluetooth Low Energy можно описать следующими стадиями:

1. Обнаружение устройства
2. Считывание его сервисов и характеристик
3. Обнаружение среди характеристик те, которые можно перезаписать
4. Определение, за что отвечают характеристики
5. Изменить значения характеристик

Четвёртый этап является творческим и самым сложным. Иногда роль характеристик можно найти в документации разработчиков для данного устройства. Иногда приходится перебирать значения и смотреть, что поменялось в устройстве. Самый сложный вариант — это обратная инженерия перехваченного Bluetooth трафика или приложения для управление устройством.

Я покажу пример изменения BLE параметров на устройстве с помощью bettercap.

Вводим команду для включения модуля по обнаружению BLE устройств:

При обнаружении новых устройств и при потере видимости устройств будут выводиться примерно следующие сообщения:

Чтобы вывести устройства, которые в данный момент в пределах досягаемости, выполните команду:

Для показа характеристик конкретного устройства, запустите команду следующего вида, где вместо MAC укажите MAC-адрес устройства:

К примеру, меня интересует устройство C8:DF:84:1A:9F:26:

В столбце Properties вы увидите свойства данной характеристики, они могут быть:

• READ (чтение)
• WRITE (запись) — то есть возможно изменение данной характеристики
• NOTIFY (уведомление)
• INDICATE (индикатор)

В колонке Data присутствует текущее значение характеристики, либо дополнительная информация, например:

Для записи данных HEX_DATA в BLE устройство с указанным MAC адресом, в характеристику с идентификатором UUID:

Чтобы знать, что именно записывать, нужно понимать, за что отвечают характеристики. Вот пример значений для моего устройства — это электрическая зубная щётка Oral-B Genius 9000 (кстати, рекомендую). Значение характеристик я нашёл в Интернете.

Исследование и взлом Bluetooth Low Energy (BLE) с телефона

Поскольку на всех современных телефонах имеется Bluetooth, то вы можете использовать приложения для работы с Bluetooth Low Energy (BLE) окружающих устройств на телефоне.

Пример такого приложения — nRF Connect — бесплатная программа программа для Android, которая умеет сканировать для поиска BLE устройств, подключаться к ним и менять значение характеристик. Программа поддерживает макросы и другие продвинутые функции.

Просмотр сервисов устройства:

Просмотр свойств характеристик:

Редактирование значений характеристик:

Работа с Bluetooth Low Energy (BLE) в Linux

Конечно, в Linux можно работать с устройствами, поддерживающими BLE, напрямую, без таких программ как Bettercap.

К сожалению, этот аспект довольно запутанный. В Debian и производных программы для работы с Bluetooth Low Energy собраны в пакете bluez. В Arch Linux и производных, пакет bluez также имеется, но утилиты, которые нас интересуют, помещены в пакет bluez-utils. Но не это самая большая проблема.

После очередного обновления утилит bluez, авторы вдруг признали многие важные программы «устаревшими», а именно устаревшими объявлены:

• gatttool
• hciattach
• hciconfig
• hcidump
• hcitool
• rfcomm
• ciptool
• sdptool

Поразительно, но для них не было представлено полноценных замен. Путаницу добавляет отсутствие нормальной документации и даже справки по программам.

Была составлена такая таблица замены:

Устаревший инструмент	Самая подходящая замена
gatttool	btgatt-client, D-Bus Gatt API
hciattach	btattach
hciconfig	btmgmt (и bluetoothctl?)
hcidump	btmon (и btsnoop)
hcitool	отсутствует, доступно в D-Bus Device API
rfcomm	отсутствует, реализовано в D-Bus Profile1 API?
ciptool
sdptool	отсутствует, кажется, что функциональность разбросана по разным объектам D-Bus: Profile, Advertising, и массивы UUIDs в device и adapter.

Слова «отсутствует» не вселяют уверенности. По этой причине для Debian и производных этот пакет компилируется с ключом —enable-deprecated, а на Arch Linux в дополнении к пакету bluez-utils, доступному в стандартных репозиториях, в AUR имеется пакет bluez-utils-compat, в котором тоже включены устаревшие инструменты.

В относительно свежих инструкциях, для взаимодействия с Bluetooth Low Energy используются утилиты:

• hcitool
• gatttool

Поскольку они устарели и однажды всё-таки будут удалены окончательно, рассмотрим несколько простых вариантов использования их замен для поиска BLE устройств и получения с них данных.

Если запустить программу btmgmt:

И в ней выполнить команду:

То она выведет список обнаруженных устройств:

Будут выведены как BLE, так и обычные Bluetooth устройства.

Также умеет искать BLE устройства, если ввести:

С помощью команды connect можно подключиться к устройству, для этого нужно указать его MAC-адрес:

Информация по устройству:

Если перейти в меню GATT:

То можно получить список характеристик:

А также перезаписать характеристики устройства.

Для получения информации по отдельным характеристикам:

Ещё одна программа, которая выведет сразу все характеристики устройства — btgatt-client. Например, выполним подключение и посмотрим характеристики устройства с MAC C8:DF:84:1A:9F:26:

В дополнении к рассмотренным программам, в отдельной консоли можно запустить Bluetooth monitor:

Как и полагается программе-монитору, она будет выводить множество информации о происходящем с Bluetooth и об обнаруженных устройствах.

Заключение

Системные утилиты Linux для работы с Bluetooth заслуживают более внимательного изучения — с их помощью можно узнать более подробную информацию о своей системе и сделать тонкую настройку Bluetooth адаптера.

Также с помощью них можно реализовать сканеры BLE и Bluetooth устройств и/или написать или приспособить фаззеры для исследования назначения характеристик BLE устройств. Поэтому вполне возможно, что в одной из следующих статей будут более подробно рассмотрены программы для работы с BLE.