低功耗蓝牙安全连接机制及其算法应用研究

发布时间：2017-06-30 03:10

  本文关键词：低功耗蓝牙安全连接机制及其算法应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着蓝牙4.0核心规范的颁布,低功耗蓝牙技术正式发布,得到了广泛的关注。低功耗蓝牙与传统蓝牙相比有着极低的功耗和快速的连接,被广泛的应用到可穿戴设备、医疗设备、智能手机、平板电脑等电子设备中。更多的信息通过低功耗蓝牙进行传输、分享。因此,低功耗蓝牙的安全性就显得至关重要。然而,国内对蓝牙安全的研究依然停留在传统蓝牙阶段。基于上述原因,本文对低功耗蓝牙的安全连接机制以及采用的高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)算法展开研究。通过对蓝牙V4.0核心规范分析,总结了低功耗蓝牙的安全连接机制,包括:安全保护功能、安全模型以及配对、认证、绑定、加密的详细过程。同时,对AES算法的设计原则、设计原理、加密和解密过程进行了总结描述。在分析对蓝牙和AES算法的常见攻击方法的基础上,进一步分析低功耗蓝牙的安全连接机制和AES算法的安全隐患,并对AES算法中S盒的数学特性和密钥扩展算法进行分析,设计了一种新的低功耗蓝牙的安全连接机制,并在CC2541低功耗蓝牙开发平台上基于BLE-Stack协议栈和OSAL操作系统实现了该连接机制。本文的创新之处在于在应用层加强了低功耗蓝牙的安全性和在数学特性上加强了AES算法的安全性。在低功耗蓝牙的应用层通过设置加密广播、随机PIN码、强制配对、确认按钮以及二次加密等提高其安全性。在AES算法中,将S盒的代数表达式提高至最高255项,仿射变换周期提高至最高16,迭代输出周期提高至最高256,同时改进密钥扩展算法,防止向前和向后推导轮密钥,从而加强了AES算法的安全强度,并将该算法应用到低功耗蓝牙的应用层。
【关键词】：低功耗蓝牙 安全 高级加密标准 S盒 密钥扩展
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 国内外研究历史及现状11-13
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 课题论文思路与研究内容13
• 1.3.1 研究思路13
• 1.3.2 研究内容13
• 1.4 本文的组织结构13-16
• 第2章 低功耗蓝牙技术及其安全连接机制16-22
• 2.1 低功耗蓝牙通信协议概述16-18
• 2.2 低功耗蓝牙的安全机制概述18-19
• 2.2.1 连接模式18
• 2.2.2 密钥生成功能18-19
• 2.2.3 加密功能19
• 2.2.4 数字签名功能19
• 2.2.5 隐私保护功能19
• 2.3 低功耗蓝牙的安全模式19-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 低功耗蓝牙安全AES算法分析与改进22-44
• 3.1 AES算法描述22-30
• 3.1.1 AES算法设计原理22-25
• 3.1.2 AES的算法加密和解密过程25-30
• 3.2 AES算法的安全性分析30-39
• 3.2.1 AES算法设计原则30
• 3.2.2 AES算法的抵御攻击能力分析30-32
• 3.2.3 AES算法安全性分析32-39
• 3.3 AES算法改进方案39-43
• 3.3.1 S盒生成改进方案39-41
• 3.3.2 S盒生成改进方案分析41
• 3.3.3 密钥扩展改进方案41-43
• 3.3.4 密钥扩展改进方案分析43
• 3.4 本章小结43-44
• 第4章 低功耗蓝牙安全机制分析与设计44-58
• 4.1 低功耗蓝牙安全连接机制的分析44-51
• 4.1.1 配对过程分析44-45
• 4.1.2 链路认证过程分析45-47
• 4.1.3 绑定过程分析47-48
• 4.1.4 链路加密连接分析48-51
• 4.1.5 低功耗蓝牙其他安全问题分析51
• 4.2 低功耗蓝牙安全机制的抵御攻击能力分析51-54
• 4.2.1 抵御链路密钥攻击能力分析51-52
• 4.2.2 抵御中间人攻击能力分析52-53
• 4.2.3 抵御PIN码攻击能力分析53-54
• 4.3 低功耗蓝牙新的安全连接机制设计54-57
• 4.3.1 PIN码防御方案54-55
• 4.3.2 广播模式防御方案55-56
• 4.3.3 无加密模式防御方案56
• 4.3.4 AES算法攻击防御方案56
• 4.3.5 低功耗蓝牙新的安全机制总体设计56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第5章 低功耗蓝牙安全连接的实现与测试58-74
• 5.1 低功耗蓝牙安全连接机制的实现58-66
• 5.1.1 固件实现58-64
• 5.1.2 AES算法改进方案的实现64-65
• 5.1.3 应用软件的实现65-66
• 5.2 低功耗蓝牙安全连接的测试66-72
• 5.2.1 固件程序的下载66-67
• 5.2.2 安全连接的测试67-69
• 5.2.3 加密数据传输测试69-70
• 5.2.4 PIN码攻击测试70-71
• 5.2.5 加密广播测试71-72
• 5.3 本章小结72-74
• 结论74-76
• 参考 文献76-80
• 附录80-84
• S盒数值80-81
• 逆S盒数值81-82
• 新S盒数值82-83
• 新逆S盒数值83-84
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果84-86
• 致谢86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 袁巍;张云英;胡亮;李宏图;王程明;;Rijndael算法的结构归纳与攻击分析[J];吉林大学学报(信息科学版);2008年05期

2 丁磊;张彩祥;冯永晋;江志文;邓杰航;;基于蓝牙4.0的低功耗电子货架标签设计[J];电子技术应用;2014年05期

3 李侠;沈峰;李德胜;;基于Android系统的低功耗蓝牙应用程序开发[J];重庆科技学院学报(自然科学版);2014年05期

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本文编号：500348