iOS BLE藍牙開發數據傳輸協議詳解經常使用算法(AES加密 HMAC_hash PRF)

時間 2019-11-17

標籤 ios ble 藍牙開發數據傳輸協議詳解經常使用算法 aes 加密 hmac hash prf 欄目 iOS 简体版

原文原文鏈接

前言

這段時間參與了一款與藍牙外設交互的項目, 之前沒有涉及過數據傳輸方面的開發, 踩了很多坑, 同時也學到了不少東西. 此時, 項目也即將進入尾聲, 有時間把這些記錄一二. 本人才疏學淺, 若有錯誤,大佬輕噴.前端

BLE4.0開發

這方面網上的Demo一大堆, 暫時不作太多的贅述, 只對坑點作一個摘要.git

需求使然, 要對設備的接近遠離有一個比較精確的計算, 使用的方案是對藍牙的信號強度進行分析. 然而, 信號強度的波動值較大, 很可貴出較爲精確的值, 因而乎須要較多的信號值進行計算, iOS能夠經過[self.peripheral readRSSI]來讀取信號值強度, 可是該方法最快1s只能返回一次, 若是須要更快速的獲取信號值強度, 執行scanForPeripheralsWithServices方法設置options參數@{CBCentralManagerScanOptionAllowDuplicatesKey:@(YES)}, 也許iBeacon會是個不錯的選擇, 可是這邊硬件並不支持,也沒有進行實際的測試.
獲取藍牙外設mac地址的問題, 衆所周知的隱私問題, 目前iOS並不能獲取到. 解決方法是讓硬件工程師把mac地址寫入到廣播包中的kCBAdvDataManufacturerData這個key中,在發現外設的回調centralManager: didDiscoverPeripheral: advertisementData: RSSI:中的advertisementData參數中獲取. (必定要寫在對應kCBAdvDataManufacturerData的字段中, 發現該設備廣播包中沒有這個key, 讓硬件工程師換一個字段再試試, 各個廠家的藍牙模塊不同, 極可能硬件工程師寫錯了)

數據傳輸

首先是平臺方面的人定好了數據傳輸協議, 咱們按協議進行拼接, 而後使用拼接好的數據與外設進行交互. 數據傳輸協議通常分爲包頭和包體, 包體中也許還會進行相似的嵌套. 協議中會定義傳輸的數據類型, 好比拼接過程當中須要傳入包體的長度(無符號雙字節整型), 咱們通常會用int取到長度length, 這時候須要把int轉化爲兩個Byte.github

// int轉兩個字節Byte
+ (NSData *)dataFromShort:(short)value {
    Byte bytes[2] = {};
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        int offset = 16 - (i + 1) * 8;
        bytes[i] = (Byte) ((value >> offset) & 0xff);
    }
    NSData *data = [[NSData alloc] initWithBytes:bytes length:2];
    return data;
}

// int轉四個字節Byte
+ (NSData *)dataFromInt:(int)value {
    
    Byte bytes[4] = {};
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        bytes[i] = (Byte)(value >> (24 - i * 8));
    }
    NSData *data= [[NSData alloc] initWithBytes:bytes length:4];
    return data;
}
複製代碼

通常也會有時間戳, 須要拼接這裏提供兩種格式的時間戳.算法

// 6個字節的時間戳
+ (NSData *)currentTimeData {
    
    Byte bytes[6];
    NSCalendar *calendar = [NSCalendar currentCalendar];
    NSUInteger unitFlags = NSCalendarUnitYear | NSCalendarUnitMonth | NSCalendarUnitDay | NSCalendarUnitHour | NSCalendarUnitMinute | NSCalendarUnitSecond;
    NSDateComponents *dateComponent = [calendar components:unitFlags fromDate:[NSDate date]];
    
    int year =(int) [dateComponent year];
    int month = (int) [dateComponent month];
    int day = (int) [dateComponent day];
    int hour = (int) [dateComponent hour];
    int minute = (int) [dateComponent minute];
    int second = (int) [dateComponent second];
    
    bytes[0] = year - 2000;
    bytes[1] = month;
    bytes[2] = day;
    bytes[3] = hour;
    bytes[4] = minute;
    bytes[5] = second;
    return [[NSData alloc] initWithBytes:bytes length:6];
}

// 4個字節的時間戳
+ (NSData *)timestampData {
    int time = [[NSDate date] timeIntervalSince1970];
    return [NSData dataFromInt:time];
}
複製代碼

經常使用算法

PRF算法

首先來看一下PRF算法,這個以前一直想在網上download一份, 奈何實在沒有找到. 猜想是前端通常不會用到, 安卓同事卻是從平臺處獲得了封裝好的jar包可使用. iOS這邊只能本身動手實現, 下面先看一下PRF算法的實現原理:bash

實現以下:app

+ (NSData *)tf_prfSecret:(NSData *)secret label:(NSData *)label seed:(NSData *)seed {
    
    // 講label與seed進行拼接
    NSMutableData *seedData = [NSMutableData data];
    [seedData appendData:label];
    [seedData appendData:seed];
    return [self tf_prfSecret:secret seed:seedData];
}

+ (NSData *)tf_prfSecret:(NSData *)secret seed:(NSData *)seed {
    
    NSMutableData *prfData = [NSMutableData data];
    NSMutableData *mutableData = [NSMutableData dataWithData:seed];
    NSData *AnData = [NSData dataWithData:seed];
    
    // 須要prf算法得出的長度
    // kStaticPrfMinimumLength: 根據需求須要寫入
    while (prfData.length < kStaticPrfMinimumLength) {
        AnData = [self hmacSHA256WithSecret:secret content:AnData];
        mutableData = [NSMutableData dataWithData:AnData];
        [mutableData appendData:seed];
        NSData *hmacData = [self hmacSHA256WithSecret:secret content:mutableData];
        [prfData appendData:hmacData];
    }
    return prfData;
}
複製代碼

HMAC_SHA256算法

PRF算法中, HMAC_hash算法是可選的, 這邊使用的是SHA256, 實現以下:函數

// hmac sha256算法
+ (NSData *)hmacSHA256WithSecret:(NSData *)secret content:(NSData *)content {
    
    unsigned char cHMAC[CC_SHA256_DIGEST_LENGTH];
    CCHmac(kCCHmacAlgSHA256, secret.bytes, secret.length, content.bytes, content.length, cHMAC);
    NSData *HMACData = [NSData dataWithBytes:cHMAC length:sizeof(cHMAC)];
    //    將data按string輸出
    //    const unsigned char *buffer = (const unsigned char *)[HMACData bytes];
    //    NSMutableString *HMAC = [NSMutableString stringWithCapacity:HMACData.length * 2];
    //    for (int i = 0; i < HMACData.length; ++i){
    //        [HMAC appendFormat:@"%02x", buffer[i]];
    return HMACData;
}
複製代碼

AES128加密

網上這樣的加密真是一大堆,這邊由於是與硬件數據傳輸, 因此對數據進行的加密的密鑰與iv向量也大機率是直接即是Data而不是經常使用的NSString, 這邊對兩種類型的key與iv都作了實現, 按實際情景使用.測試

- (NSData *)tf_encryptAES128WithKey:(NSString *)key iv:(NSString *)iv {
    return [self tf_AES128Operation:kCCEncrypt key:key iv:iv];
}

- (NSData *)tf_decryptAES128WithKey:(NSString *)key iv:(NSString *)iv {
    return [self tf_AES128Operation:kCCDecrypt key:key iv:iv];
}

- (NSData *)tf_encryptAES128WithKeyData:(NSData *)keyData ivData:(NSData *)ivData {
    return [self tf_AES128Operation:kCCEncrypt keyData:keyData ivData:ivData];
}

- (NSData *)tf_decryptAES128WithKeyData:(NSData *)keyData ivData:(NSData *)ivData {
    return [self tf_AES128Operation:kCCDecrypt keyData:keyData ivData:ivData];
}

/**
 *
 *  @param operation kCCEncrypt:加密  kCCDecrypt:解密
 *  @param key       公鑰
 *  @param iv        偏移量
 *
 *  @return 加密或者解密的NSData
 */

- (NSData *)tf_AES128Operation:(CCOperation)operation key:(NSString *)key iv:(NSString *)iv {
    
    char keyBytes[kCCKeySizeAES128 + 1];  //kCCKeySizeAES128是加密位數 能夠替換成256位的
    
    // bzero函數:從字符串第一位開始置0, 第二個參數表明置0的位數
    // 至關於memset(keyBytes,0x00,sizeof(keyBytes));
    bzero(keyBytes, sizeof(keyBytes));
    [key getCString:keyBytes maxLength:sizeof(keyBytes) encoding:NSUTF8StringEncoding];
    
    // iv
    char ivBytes[kCCBlockSizeAES128 + 1];
    bzero(ivBytes, sizeof(ivBytes));
    [iv getCString:ivBytes maxLength:sizeof(ivBytes) encoding:NSUTF8StringEncoding];
    return [self tf_cryptAES128Operation:operation keyBytes:keyBytes ivBytes:ivBytes];
}


- (NSData *)tf_AES128Operation:(CCOperation)operation keyData:(NSData *)keyData ivData:(NSData *)ivData {

    char keyBytes[kCCKeySizeAES128 + 1];
    bzero(keyBytes, sizeof(keyBytes));
    [keyData getBytes:keyBytes length:sizeof(keyBytes)];
    
    char ivBytes[kCCKeySizeAES128 + 1];
    bzero(ivBytes, sizeof(ivBytes));
    [ivData getBytes:ivBytes length:sizeof(ivBytes)];
    
    return [self tf_cryptAES128Operation:operation keyBytes:keyBytes ivBytes:ivBytes];
}

- (NSData *)tf_cryptAES128Operation:(CCOperation)operation keyBytes:(void *)keyBytes ivBytes:(void *)ivBytes {
    
    size_t bufferSize = self.length + kCCBlockSizeAES128;
    void *buffer = malloc(bufferSize);
    size_t numBytesCrypted = 0;
    
    /*
     CCOptions 默認爲CBC加密
     選擇ECB加密填: kCCOptionPKCS7Padding | kCCOptionECBMode
     ECB模式iv向量填NULL
     kCCOptionPKCS7Padding: 7填充
     直接填0x0000: 就是No padding填充
     */
    
    CCCryptorStatus cryptorStatus = CCCrypt(operation, kCCAlgorithmAES128,
                                            kCCOptionPKCS7Padding,
                                            keyBytes,
                                            kCCKeySizeAES128,
                                            ivBytes,
                                            self.bytes,
                                            self.length,
                                            buffer,
                                            bufferSize,
                                            &numBytesCrypted);
    
    if(cryptorStatus == kCCSuccess) {
        NSLog(@"Crypt Successfully");

        NSData *result = [NSData dataWithBytesNoCopy:buffer length:numBytesCrypted];
    /* 轉16進制字符串
        Byte *resultBytes = (Byte *)result.bytes;
        NSMutableString *outPut = [[NSMutableString alloc] initWithCapacity:result.length * 2];
        for (int i = 0; i < result.length; i++) {
            [outPut appendFormat:@"%02x", resultBytes[i]];
        }
    */
        return result;
        
    } else {
        NSLog(@"Crypt Error");
        free(buffer);
        return nil;
    }
}
複製代碼