安全管理协议（SMP）：配对流程、密钥生成与防中间人攻击——蓝牙面试核心考点精解
一、SMP 核心知识点高频考点解析
1.1 SMP 在蓝牙安全体系中的定位
考点：SMP 的功能与协议栈位置
解析：
SMP（Security Manager Protocol，安全管理协议）是蓝牙核心规范中负责设备配对、密钥生成与安全连接的关键协议，位于协议栈的 L2CAP 层之上，通过 HCI 接口与控制器交互。其核心目标是：
身份认证：验证设备身份，防止中间人攻击（MITM）
密钥生成：动态生成加密密钥（STK/LTK）
密钥分发：安全传输IRK/CSRK等敏感数据
安全升级：支持从Legacy Pairing到Secure Connections的演进
真题示例：
问题：以下哪个协议负责蓝牙设备的配对和密钥生成？
A. L2CAP
B. SMP
C. GATT
D. SDP
答案：B（SMP 是蓝牙安全管理的核心协议）
1.2 配对流程与核心阶段
考点：配对的三个阶段及关键交互
解析：
SMP 配对分为三个核心阶段：
阶段 1：能力交换（Capability Exchange）
- 交换参数：IO能力（5种类型）、OOB支持、认证要求
- 决定配对方法：Just Works/Passkey/Numeric Comparison/OOB
大厂真题：
华为2023校招真题：“当Initiator的IO能力为KeyboardOnly，Responder为DisplayOnly时，应使用哪种配对方法？”
答案：Passkey Entry（响应端显示6位码，发起端输入）
阶段2：认证与密钥生成
①Legacy Pairing（蓝牙4.1前）
②Secure Connections（蓝牙4.2+）
核心改进：
椭圆曲线加密：使用P-256曲线生成DHKey
双向认证：Numeric Comparison提供可视化确认
强密钥：直接生成128位LTK，无需STK过渡
阶段3：密钥分发
分发密钥类型：
| 密钥 | 长度 | 作用 | 是否必选 |
|---|---|---|---|
| LTK | 128-bit | 链路加密 | √ |
| IRK | 128-bit | 解析私有地址 | △ |
| CSRK | 128-bit | 数据签名 | △ |
| EDIV+RAND | 64-bit | 快速重连 | △ |
安全策略：
AES-CCM加密：所有密钥分发过程强制加密
双向确认：Key Distrib字段协商分发内容
绑定存储：成功分发后建立绑定关系
1.3 四大配对方法对比
| 方法 | MITM防护 | 适用场景 | 安全强度 | 操作复杂度 |
|---|---|---|---|---|
| Just Works | × | 耳机/手环 | ★☆☆☆☆ | 零操作 |
| Passkey Entry | √ | 键盘+显示设备 | ★★★☆☆ | 用户输入6位码 |
| Numeric Comparison | √ | 手机/平板 | ★★★★☆ | 用户确认数字 |
| OOB | √ | 支付设备/门禁 | ★★★★★ | 近场通信辅助 |
OPPO 2023真题：“智能门锁与手机配对时，为何推荐OOB+Numeric Comparison组合？”
答案：OOB提供初始信任锚点，Numeric Comparison防中间人攻击，双重保障支付级安全
真题示例：
问题：SMP 配对中，ECDH 算法的作用是？
A. 生成随机数
B. 计算共享秘钥
C. 验证设备名称
D. 压缩传输数据
答案：B（ECDH 用于生成双方的共享秘钥）
1.4 密钥类型与用途对比
考点：IRK/LTK/STK 的区别与应用场景
解析：
| 密钥类型 | 全称 | 长度 | 生成方式 | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|
| IRK | 身份解析密钥 | 16 字节 | 设备出厂预存或配对时生成 | 设备绑定（存储在安全数据库）、签名验证 |
| LTK | 长期密钥 | 7~16 字节 | 配对时通过 ECDH 生成 | 链路层加密（LL 层数据加密） |
| STK | 短期密钥 | 16 字节 | 配对时临时生成 | 连接层完整性校验（防止数据篡改） |
| CSRK | 证书签名密钥 | 16 字节 | 带外数据（OOB）提供 | 增强防中间人攻击（仅安全模式 4） |
真题示例：
问题：以下哪个密钥用于蓝牙设备的长期绑定？
A. LTK
B. STK
C. IRK
D. CSRK
答案：C（IRK 是设备绑定的核心密钥，存储后可用于快速重连）
1.5 安全模式与配对方法
考点：安全模式 1/4 的区别及配对方法适用场景
解析：
安全模式 1（传统安全模式）
- 特点：配对在 L2CAP 层进行，支持三种配对方法：
- Just Works：无用户交互（风险高，适合低安全设备如耳机）。
- 数字比较：双方显示 6 位数字，用户确认匹配（如智能手表配对）。
- 带外数据（OOB）：通过 NFC 等外带通道传输密钥（高安全场景）。
- 防攻击：不强制防中间人攻击（MITM），需显式启用。
安全模式 4（LE 安全连接）
- 特点：配对在链路层（LL）进行，强制使用椭圆曲线加密（ECDH），默认启用 MITM 保护。
- 配对方法：仅支持数字比较和 OOB，不支持 Just Works（提升安全性）。
真题示例：
问题：以下哪种配对方法支持防中间人攻击？
A. Just Works
B. 数字比较（安全模式 4）
C. 带外数据（OOB）
D. B 和 C
答案：D（安全模式 4 的数字比较和 OOB 方法强制 MITM 保护）
1.6 防中间人攻击（MITM）机制
考点：MITM 保护的核心原理与验证步骤
解析：
SMP 通过以下步骤实现 MITM 保护（以数字比较为例）：
- 生成签名哈希（H）：双方用共享秘钥（DHKey）和 IRK 计算哈希值 H。
- 用户确认数字（X）：计算 X = H 的低 6 位十进制数，用户需在两设备上看到相同 X。
- 随机数校验（R）：交换随机数 R 和 R'，确保双方未被中间人篡改数据。
真题示例：
问题：SMP 如何防止中间人攻击？（多选）
A. 使用椭圆曲线加密（ECDH）
B. 用户确认配对码（数字比较）
C. 验证设备 IRK 签名
D. 仅允许带外数据配对
答案：ABC（ECDH 确保密钥安全生成，数字比较和 IRK 签名防止中间人伪造）
二、历年真题深度解析
2.1 单选题：SMP 配对阶段
题目：SMP 配对中，协商配对方法和加密算法是在哪一阶段？（2024・高通嵌入式面试题）
A. 密钥生成阶段
B. 配对请求阶段
C. 连接加密阶段
D. 身份认证阶段
答案：B
解析：在第一阶段的Pairing Request和Pairing Response中，双方协商配对方法（如数字比较）、加密算法（AES-CCM）等参数。
2.2 多选题：安全模式区别
题目：以下关于蓝牙安全模式的说法，正确的是？（蓝牙技术认证考试）
A. 安全模式 1 支持 Just Works 配对
B. 安全模式 4 强制防中间人攻击
C. 安全模式 1 的配对在链路层进行
D. 安全模式 4 仅支持 LE 设备
答案：ABD
解析：安全模式 1 的配对在 L2CAP 层进行，安全模式 4（LE 安全连接）仅适用于 BLE 设备，且强制 MITM 保护。
2.3 简答题：密钥生成流程
题目：简述 SMP 生成 LTK 的步骤。（2023・华为硬件岗面试题）
参考答案：
- ECDH 交换公钥：发起方和响应方生成 ECDH 公钥对，交换公钥 A 和公钥 B。
- 计算共享秘钥（DHKey）：双方用对方公钥和自身私钥计算 DHKey。
- 生成临时密钥（LTK）：通过 DHKey、随机数 R 和设备地址，使用 AES-CCM 算法生成 LTK。
- 验证 LTK：通过
Pairing Confirm和Pairing Random消息确保双方 LTK 一致。
题目（配对方法选择）：当双方设备均支持LE Secure Connections时，应优先采用哪种配对方法？（2023年字节跳动）
解析：
答案：优先使用LE Secure Connections配对方式，当OOB不可用时根据IO能力选择Numeric Comparison或Passkey Entry。
题目（Secure Connections优势）：“对比Legacy Pairing，LE Secure Connections如何提升安全强度？”（苹果2023）
技术对比：
| 特性 | Legacy Pairing | Secure Connections |
|---|---|---|
| 密钥长度 | 可变(7-16字节) | 固定128位 |
| 加密算法 | AES-CCM | ECDH+AES-CCM |
| MITM保护 | 依赖用户操作 | 内置数字比较 |
| 密钥类型 | STK过渡 | 直接生成LTK |
| 抗量子攻击 | × | △（P-256曲线） |
答案：通过ECDH交换和固定128位LTK，避免TK弱密钥问题
2.4 分析题：MITM 攻击场景
题目：假设中间人截获配对请求，如何通过 SMP 机制发现攻击？
参考答案：
- 签名验证失败：中间人无法伪造合法设备的 IRK 签名，导致
Signature消息校验失败。 - 数字不匹配：若使用数字比较，双方生成的 6 位数字 X 不同，用户会拒绝配对。
- 随机数篡改：中间人修改随机数 R 或 R'，导致双方计算的 LTK 不一致，加密后数据无法解密。
题目（配对方法选择）：“运动手环（无显示屏）与手机配对时，为何采用Just Works而非Passkey Entry？”（小米2022社招）
解题思路：
分析IO能力：手环=NoInputNoOutput，手机=KeyboardDisplay
查配对矩阵：NoInputNoOutput+KeyboardDisplay → Just Works
安全权衡：手环无输入输出能力，无法进行Passkey交互
答案：受限于IO能力，强制使用Just Works
题目（密钥分发错误）：“设备绑定后重新连接失败，抓包显示Encryption Failed，可能原因是什么？”（华为2023）
故障树分析：
解决方案：
检查两端存储的LTK是否一致
确认EDIV/RAND在重连时未变更
验证Key Size≥7字节
2.5 应用题：设备绑定流程
题目：简述蓝牙设备绑定（Bonding）的作用及涉及的密钥。（2024・苹果嵌入式面经）
参考答案：
作用：
- 存储设备身份密钥（IRK），实现快速重连（无需重新配对）。
- 建立信任关系，后续连接可跳过复杂认证步骤。
涉及密钥：
- IRK：绑定后存储在双方安全数据库，用于验证设备身份。
- LTK/STK：绑定过程中生成，用于当前连接加密，可选择是否存储（按需）。
题目（密钥长度要求）：SMP协议规定的最小和最大加密密钥长度分别是多少？ （2024年腾讯）
解析：
- 核心规范V5.4明确要求：7字节（56位）至16字节（128位）
- 常见陷阱：易混淆AES-128的128位与密钥长度参数
答案：最小7字节（56位），最大16字节（128位）
题目（中间人防御）：在BLE Secure Connections中，如何防御ECDH公钥交换阶段的中间人攻击？（2022年华为）
解析：
- 使用带外（OOB）通道预先交换公钥
- 数字比较法验证公钥指纹
- 结合MacKey进行消息认证
答案：通过OOB通道预先交换公钥，并利用f6函数生成的校验值进行双向验证。
三、考官最爱问的3个问题
1. Just Works真的不安全吗？
在无用户交互场景（如传感器网络）是合理方案，配合后续加密传输可保障数据安全
2. Passkey Entry的6位码如何转换为128位TK？
*示例：019655 → 0x4CC7 → TK=0x0000...00004CC7*6
3. 绑定(Bonding)后为何还需要配对？
密钥过期：LTK超过存储期限
安全升级：从Just Works升级为MITM保护
新服务授权：访问更高安全等级服务
四、记忆技巧
4.1 核心概念速记法
- 配对三阶段：1. 协商（参数）→ 2. 生成（密钥）→ 3. 加密（连接），联想 “相亲三步：聊需求→定关系→见家长”。
- 密钥用途：
- IRK：身份证（长期绑定，证明 “我是我”）。
- LTK：房门钥匙（临时加密，当前连接可用）。
- STK：监控密码（校验数据，防止篡改）。
- 安全模式对比：
- 安全模式 1：传统配对，可选安全等级（类似酒店门锁，可刷卡或密码）。
- 安全模式 4：LE 专属，强制高安全（类似银行 U 盾，必须验指纹）。
4.2 对比记忆表
| 配对方法 | 用户交互 | MITM 保护 | 适用设备 |
|---|---|---|---|
| Just Works | 无 | 可选 | 耳机、音箱（低安全） |
| 数字比较 | 确认 6 位数字 | 强制（安全模式 4） | 手表、智能家居（中安全） |
| 带外数据（OOB） | NFC 触碰等 | 强制 | 医疗设备、工业控制器（高安全） |
SMP 是蓝牙设备实现安全连接的核心协议，其设计融合了现代密码学（ECDH/AES-CCM）和用户交互安全（数字比较 / OOB）。掌握 SMP 需重点关注：
- 配对流程：三阶段交互细节及关键消息（如
Pairing Request/Confirm）。 - 密钥体系：IRK/LTK/STK 的生成逻辑与应用场景。
- 安全增强：安全模式 4 的强制 MITM 保护机制和椭圆曲线算法的作用。
