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微信公眾號(hào)：計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全

ID：Computer-network

1. ZigBee簡(jiǎn)介

ZigBee(又稱紫蜂協(xié)議)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(Bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(Zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee 協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問(wèn)控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

給出ZigBee的定義之后，接下來(lái)對(duì)ZigBee的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

(1)低功耗：兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。

(2)低成本：由于簡(jiǎn)化了協(xié)議棧，降低內(nèi)核的性能要求，以CC2530為例，內(nèi)核就是一個(gè)增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，從而降低了芯片成本，每塊CC2530大約15元。

(3)低速率：ZigBee可以提供3種原始數(shù)據(jù)吞吐率，分別為：250 kbit/s(2.4 GHz)、40 kbit/s(915 MHz)、20 kbit/s(868 MHz)。

(4)近距離：“近”是相對(duì)的，與藍(lán)牙相比，ZigBee屬于低速率遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

(5)可靠：采用碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突;節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(6)短時(shí)延：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。

(7)網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee可采用星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(8)安全：ZigBee提供數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128。

(9)高保密性：64位出廠編號(hào)和支持AES-128加密。

ZigBee協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議的層次結(jié)構(gòu) 

物理層是由IEEE802.15.4規(guī)范定義的，該協(xié)議與IEEE 802.11協(xié)議類似，都是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。而介質(zhì)訪問(wèn)控制層也與物理層一樣，是由該協(xié)議定義的，這一層還包含了構(gòu)建擴(kuò)張ZigBee網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)功能，如相連設(shè)備間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、“設(shè)備的角色”以及網(wǎng)絡(luò)上的“建立關(guān)聯(lián)”和“解除關(guān)聯(lián)”等。網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層都是根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義的，其中，網(wǎng)絡(luò)層主要是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)高層的功能，如“網(wǎng)絡(luò)程序”“設(shè)備發(fā)現(xiàn)”“地址分配”和“數(shù)據(jù)路由”。應(yīng)用層則是這個(gè)協(xié)議棧的最高層，規(guī)定了“應(yīng)用對(duì)象”的操作和接口。

2. ZigBee安全

無(wú)線取代有線是一個(gè)趨勢(shì)，因?yàn)槊總€(gè)人都可能為繁雜的線路煩惱。而現(xiàn)在無(wú)線技術(shù)主要分為藍(lán)牙、Wi-Fi、Zwave、ZigBee 4種。而ZigBee在小范圍的無(wú)線技術(shù)中是比較安全的。

ZigBee使用的加密算法是AES加密算法。AES(Advanced Encryption Standard)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所用于加密電子數(shù)據(jù)的規(guī)范。它被預(yù)期能成為人們公認(rèn)的加密金融、電信和政府?dāng)?shù)字信息等內(nèi)容的方法。AES是一個(gè)新的可以用于保護(hù)電子數(shù)據(jù)的加密算法。明確地說(shuō)，AES是一個(gè)迭代的、對(duì)稱密鑰分組的密碼，它可以使用128 bit、192 bit和256 bit密鑰，并且用128 bit(16 B)分組加密和解密數(shù)據(jù)。與公共密鑰密碼使用密鑰對(duì)不同，對(duì)稱密鑰密碼使用相同的密鑰加密和解密數(shù)據(jù)。通過(guò)分組密碼返回的加密數(shù)據(jù)的位數(shù)與輸入數(shù)據(jù)相同。迭代加密使用一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，在該循環(huán)中重復(fù)置換(permutations)和替換(substitutions)輸入數(shù)據(jù)。

在Z-stack中采用的是128 bit的密，首先需要一個(gè)128 bit的key，不同的key加密出來(lái)的內(nèi)容也不同，在 Z-stack 中是通過(guò) DEFAULT_KEY="{0x01,0x03,0x05,0x07,0x09,0x0B,0x0D,0x0F,0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0A,0x0C,0x0D}"這種方式來(lái)定義的。

Z-stack已經(jīng)在協(xié)議棧中實(shí)現(xiàn)了這個(gè)加密算法，如果需要使用，直接開(kāi)啟這個(gè)服務(wù)就可以了。

如果使用了加密算法，網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備都需要開(kāi)啟這個(gè)算法，而且各個(gè)設(shè)備中的 key必須相同，否則后果是很?chē)?yán)重的，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不能正常通信，因?yàn)闆](méi)有加密的數(shù)據(jù)或相同key加密，這些數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是不認(rèn)識(shí)的，根本就不會(huì)傳到網(wǎng)絡(luò)層。

加密算法開(kāi)啟以后，如果需要修改代碼，就必須改變key，或擦除一次flash，否則會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)期的錯(cuò)誤，而且沒(méi)有規(guī)律。通常的做法是擦除一次flash，這樣可以保證和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的key相同,除了這個(gè)機(jī)制以外，還具備白名單機(jī)制。在入網(wǎng)時(shí)，將入網(wǎng)設(shè)備的MAC地址加密后生成key，可以在運(yùn)行時(shí)通過(guò)串口協(xié)議控制節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)許可。

3. ZigBee攻擊

作為無(wú)線通信協(xié)議，它避免不了在通信過(guò)程中造成的協(xié)議漏洞。在使用ZigBee通信時(shí)，攻擊者可以嗅探傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，捕獲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后進(jìn)行重放攻擊，在初次通信時(shí)嗅探加密密鑰、欺騙攻擊、拒絕服務(wù)。這些攻擊是無(wú)線通信協(xié)議的通病，每個(gè)無(wú)線通信協(xié)議基本上都會(huì)存在。

將ZigBee的攻擊分為兩種，一種是竊聽(tīng)攻擊，另一種是密鑰攻擊。

(1)竊聽(tīng)攻擊

ZigBee的安全機(jī)制共有3種模式：非安全模式、訪問(wèn)控制模式和安全模式。

非安全模式：為默認(rèn)安全模式，即不采取任何安全服務(wù)，因此可能被竊聽(tīng)。

訪問(wèn)控制模式：通過(guò)訪問(wèn)控制列表(ACL，Access Control List)限制非法節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，ACL中包含有允許接入的硬件設(shè)備MAC地址。

安全模式：采用AES 128位加密算法進(jìn)行通信加密，同時(shí)提供有0、32、64、128 bit的完整性校驗(yàn)，該模式又分為標(biāo)準(zhǔn)安全模式(明文傳輸密鑰)和高級(jí)安全模式(禁止傳輸密鑰)。

所以，竊聽(tīng)攻擊發(fā)送在非安全模式下，攻擊者可以通過(guò)抓取數(shù)據(jù)分組的形式，查看受害者的數(shù)據(jù)分組內(nèi)容。

(2)密鑰攻擊

由于在密鑰傳輸過(guò)程中，可能會(huì)以明文形式傳輸網(wǎng)絡(luò)/鏈接密鑰，因此可能被竊取到密鑰，從而解密出通信數(shù)據(jù)，或偽造合法設(shè)備。也有可能通過(guò)一些逆向智能設(shè)備固件，從中獲取密鑰進(jìn)行通信命令解密，然后偽造命令進(jìn)行攻擊。

ZigBee攻擊的工具，比較有名的就是KillerBee。KillerBee是一套專門(mén)用來(lái)攻擊ZigBee網(wǎng)絡(luò)和IEEE802.15.4 協(xié)議的一組攻擊套件，它是基于 Python 編寫(xiě)的應(yīng)用程序框架。整個(gè)項(xiàng)目都是在Linux操作系統(tǒng)上完成的。而這個(gè)項(xiàng)目不是去完成攻擊，而是提供編寫(xiě)程序的框架，攻擊者可以通過(guò)自己學(xué)習(xí)這個(gè)程序以簡(jiǎn)化常見(jiàn)的攻擊過(guò)程。詳細(xì)地說(shuō)，就是使用這個(gè)框架中的一些功能可以完成對(duì)ZigBee的安全漏洞攻擊，在攻擊的同時(shí)還需要使用KillerBee工具包。

要想使用KillerBee工具包的全部功能，有些組件需要被編譯鏈接，然后創(chuàng)建到工具包中，其中主要包括下面的硬件和軟件。

硬件：RZ Raven USB接口的記憶棒、AVR Dragon片上編譯器、100 ms到50 ms JTAG支持架適配器、50 ms“公頭對(duì)公頭”的連接頭和10針2排5列100 ms“母頭對(duì)母頭”帶狀連接線。

軟件：AVRDUDE工具、RZUSBstick記憶棒的免費(fèi)KillerBee固件、主機(jī)(用于運(yùn)行連接和將程序?qū)懭隦ZUSBstick記憶棒中)。