ESP32学习笔记（35）——蓝牙MAC地址

Posted 2021-08-13 Leung_ManWah

一、背景

一个 BLE 设备，可以使用两种类型的地址（一个 BLE 设备可同时具备两种地址）：

• Public Device Address（公共设备地址）
• Random Device Address（随机设备地址）可分为两类：
  • Static Device Address（静态设备地址）
  • Private Device Address（私密设备地址）又可分为两类：
    • Non-resolvable Private Address（不可解析私密地址）
    • Resolvable Private Address（可解析私密地址）

1.1 公共设备地址 Public Device Address

在通信系统中，设备地址是用来唯一识别一个物理设备的，如TCP/IP网络中的MAC地址、传统蓝牙中蓝牙地址等。对设备地址而言，一个重要的特性，就是唯一性。

对于经典蓝牙（BR/EDR）来说，其设备地址是一个 48bits 的数字，称作“48-bit universal LAN MAC address”。正常情况下，该地址需要向 IEEE 申请，具有唯一性。

这种地址分配方式在 BLE 中也保留了下来，就是公共设备地址（Public Device Address）。由 24-bit 的 company_id 和 24-bit 的 company_assigned 组成。

高 24 位是公司标识，低 24 位公司内部自己赋值。

1.2 随机设备地址 Random Device Address

但是，在 BLE 时代，只有公共设备地址明显不够用了，有如下原因：

1. 公共设备地址需要向 IEEE 购买，需要一笔开销。
2. 公共设备地址的申请与管理相对繁琐、复杂，再加上 BLE 设备的数量众多（和传统蓝牙设备不是一个数量级的），导致维护成本增大。
3. 安全因素。BLE 很大一部分的应用场景是广播通信，这意味着只要知道设备的地址，就可以获取所有的信息，这是很不安全的。因此固定的设备地址，加大了信息泄露的风险。

为了解决上述问题，BLE 协议新增了一种地址：随机设备地址，即设备地址不是固定分配的，而是在设备启动后随机生成的。根据不同的目的，随机设备地址分为静态设备地址和私密设备地址。

1.2.1 静态设备地址 Static Device Address

静态设备地址是设备在上电时随机生成的地址，其格式如下：

静态设备地址的特征可总结为：

1. 最高两个 bit 为 “11”。
2. 剩余的 46bits 是一个随机数，不能全部为0，也不能全部为1。
3. 在一个上电周期内保持不变。
4. 下一次上电的时候可以改变。但不是强制的，因此也可以保持不变。如果改变，上次保存的连接等信息，将不再有效。

静态设备地址的使用场景可总结为：

1. 46bits 的随机数，可以很好地解决“设备地址唯一性”的问题，因为两个地址相同的概率很小。
2. 地址随机生成，可以解决公共设备地址申请所带来的费用和维护问题。

1.2.2 私密设备地址 Private Device Address

静态设备地址通过地址随机生成的方式，解决了部分问题。私密设备地址则更进一步，通过定时更新和地址加密两种方式，提高蓝牙地址的可靠性和安全性。根据设备地址是否加密，又分为两类：
① 不可解析私密地址 Non-resolvable Private Address
不可解析私密地址和静态设备地址类似，不同之处在于不可解析私密地址会定时更新。更新的周期是由 GAP 规定的，称作 T_GAP(private_addr_int)，建议值是 15 分钟。其格式如下：

不可解析私密地址的特征可总结为：

1. 最高两个 bit 为 “00”。
2. 剩余的 46bits 是一个随机数，不能全部为0，也不能全部为1。
3. 以 T_GAP(private_addr_int) 为周期，定时更新。

② 可解析私密地址 Resolvable Private Address
可解析私密地址比较有用，它通过一个随机数和一个称作 identity resolving key(IRK) 的密码生成，因此只能被拥有相同 IRK 的设备扫描到，可以防止被未知设备扫描和追踪。其格式如下：

可解析私密地址的特征可总结为：

1. 高位 24bits 是随机数部分，其中最高两个 bit 为“10”，用于标识地址类型；低位 24bits 是随机数和 IRK 经过 hash 运算得到的 hash值，运算公式为 hash = ah(IRK, prand)。
2. 当主端 BLE 设备扫描到该类型的蓝牙地址后，会使用保存在本机的 IRK，和该地址中的 prand，进行同样的 hash 运算，并将运算结果和地址中的 hash 字段比较，相同的时候，才进行后续的操作。这个过程称作 resolve（解析），如果不同则继续用下一个 IRK 做上面的过程，直到找到一个关联 IRK 或者一个也没找到。
3. 以T_GAP(private_addr_int) 为周期，定时更新。哪怕在广播、扫描、已连接等过程中，也可能改变。
4. Resolvable Private Address 不能单独使用，因此需要使用该类型的地址的话，设备要同时具备 Public Device Address 或者 Static Device Address 中的一种。

1.3 分析广播包中蓝牙MAC地址

使用抓包工具抓取类似如下数据包：

其中数据包第 6 部分：

其中 TxAdd 表示发送方的地址类型（0 为 public，1为 random）。
RxAdd 表示接收方的地址类型。
对于普通广播来说，只有 TxAdd 的指示是有效的，表示广播发送者的第一类型。而对于定向广播来说，TxAdd 和 RxAdd 都是有效的。

其中数据包第 7 部分：

如果是随机设备地址，则查看地址的最高两位。

• 如果是 “11” 就是静态随机地址。
• 如果是 “00” 就是不可解析私密地址。
• 如果是 “01” 就是可解析私密地址，并执行上面说过的 ah 方法进行解析。

二、API说明

以下 MAC 地址接口位于 components\\esp_system\\include\\esp_system.h

2.1 esp_base_mac_addr_set

esp_err_t esp_base_mac_addr_set(const uint8_t *mac)

2.2 esp_read_mac

typedef enum {
    ESP_MAC_WIFI_STA,
    ESP_MAC_WIFI_SOFTAP,
    ESP_MAC_BT,
    ESP_MAC_ETH,
} esp_mac_type_t;

esp_err_t esp_read_mac(uint8_t* mac, esp_mac_type_t type)

以下随机地址接口位于 bt/host/bluedroid/api/include/api/esp_gap_ble_api.h

2.3 esp_ble_gap_set_rand_addr

2.4 esp_ble_gap_clear_rand_addr

三、使用公共设备地址

使用 examples\\bluetooth\\hci\\controller_vhci_ble_adv 中的例程

• 获取 MAC 地址：

uint8_t mac[6] = {0};
esp_read_mac(mac, ESP_MAC_BT);
ESP_LOG_BUFFER_HEX(tag, mac, 6);

• 设置 MAC 地址：
  注意：要在初始化蓝牙控制器接口 esp_bt_controller_init() 之前设置 MAC 地址。esp_base_mac_addr_set() 会在地址最后一位或上 0x01

uint8_t mac[6] = {0xbc, 0xdd, 0xc2, 0xd1, 0xc5 ,0x6F};
esp_base_mac_addr_set(mac);

查看地址：

四、使用随机设备地址

使用 examples\\bluetooth\\bluedroid\\ble\\ble_ibeacon 中的例程
注意：工程中默认使用公共设备地址。

将 ble_adv_params.own_addr_type由公共设备地址 BLE_ADDR_TYPE_PUBLIC，改为随机设备地址 BLE_ADDR_TYPE_RANDOM。

static esp_ble_adv_params_t ble_adv_params = {
    .adv_int_min        = 0x20,
    .adv_int_max        = 0x40,
    .adv_type           = ADV_TYPE_NONCONN_IND,
    .own_addr_type      = BLE_ADDR_TYPE_RANDOM,
    .channel_map        = ADV_CHNL_ALL,
    .adv_filter_policy = ADV_FILTER_ALLOW_SCAN_ANY_CON_ANY,
};

然后设置随机设备地址：

esp_bd_addr_t mac = {0xD4, 0x5E, 0xEC, 0x0E, 0x7D, 0x9E};
esp_ble_gap_set_rand_addr(mac);

查看地址：

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• 由 Leung 写于 2021 年 7 月 15 日