网络安全攻防：ZigBee安全

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1. ZigBee简介

ZigBee(又称紫蜂协议)是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(Bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(Zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee 协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

给出ZigBee的定义之后，接下来对ZigBee的特点进行详细的介绍。

(1)低功耗：两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

(2)低成本：由于简化了协议栈，降低内核的性能要求，以CC2530为例，内核就是一个增强型的8051内核，从而降低了芯片成本，每块CC2530大约15元。

(3)低速率：ZigBee可以提供3种原始数据吞吐率，分别为：250 kbit/s(2.4 GHz)、40 kbit/s(915 MHz)、20 kbit/s(868 MHz)。

(4)近距离：“近”是相对的，与蓝牙相比，ZigBee属于低速率远距离数据传输。

(5)可靠：采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突;节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个 ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

(6)短时延：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

(7)网络容量大：ZigBee可采用星状、树状和网状网络结构。

(8)安全：ZigBee提供数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。

(9)高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。

ZigBee协议的层次结构如图1所示。

图1 ZigBee协议的层次结构 

物理层是由IEEE802.15.4规范定义的，该协议与IEEE 802.11协议类似，都是无线网络协议。而介质访问控制层也与物理层一样，是由该协议定义的，这一层还包含了构建扩张ZigBee网络的各项功能，如相连设备间的拓扑结构、数据帧的结构设计、“设备的角色”以及网络上的“建立关联”和“解除关联”等。网络层以及应用层都是根据ZigBee标准定义的，其中，网络层主要是负责实现高层的功能，如“网络程序”“设备发现”“地址分配”和“数据路由”。应用层则是这个协议栈的最高层，规定了“应用对象”的操作和接口。

2. ZigBee安全

无线取代有线是一个趋势，因为每个人都可能为繁杂的线路烦恼。而现在无线技术主要分为蓝牙、Wi-Fi、Zwave、ZigBee 4种。而ZigBee在小范围的无线技术中是比较安全的。

ZigBee使用的加密算法是AES加密算法。AES(Advanced Encryption Standard)是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。它被预期能成为人们公认的加密金融、电信和政府数字信息等内容的方法。AES是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，AES是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128 bit、192 bit和256 bit密钥，并且用128 bit(16 B)分组加密和解密数据。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换(permutations)和替换(substitutions)输入数据。

在Z-stack中采用的是128 bit的密，首先需要一个128 bit的key，不同的key加密出来的内容也不同，在 Z-stack 中是通过 DEFAULT_KEY="{0x01,0x03,0x05,0x07,0x09,0x0B,0x0D,0x0F,0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0A,0x0C,0x0D}"这种方式来定义的。

Z-stack已经在协议栈中实现了这个加密算法，如果需要使用，直接开启这个服务就可以了。

如果使用了加密算法，网络中所有的设备都需要开启这个算法，而且各个设备中的 key必须相同，否则后果是很严重的，这会导致网络不能正常通信，因为没有加密的数据或相同key加密，这些数据网络是不认识的，根本就不会传到网络层。

加密算法开启以后，如果需要修改代码，就必须改变key，或擦除一次flash，否则会出现不可预期的错误，而且没有规律。通常的做法是擦除一次flash，这样可以保证和整个网络的key相同,除了这个机制以外，还具备白名单机制。在入网时，将入网设备的MAC地址加密后生成key，可以在运行时通过串口协议控制节点的入网许可。

3. ZigBee攻击

作为无线通信协议，它避免不了在通信过程中造成的协议漏洞。在使用ZigBee通信时，攻击者可以嗅探传输的数据，捕获传输的数据后进行重放攻击，在初次通信时嗅探加密密钥、欺骗攻击、拒绝服务。这些攻击是无线通信协议的通病，每个无线通信协议基本上都会存在。

将ZigBee的攻击分为两种，一种是窃听攻击，另一种是密钥攻击。

(1)窃听攻击

ZigBee的安全机制共有3种模式：非安全模式、访问控制模式和安全模式。

非安全模式：为默认安全模式，即不采取任何安全服务，因此可能被窃听。

访问控制模式：通过访问控制列表(ACL，Access Control List)限制非法节点获取数据，ACL中包含有允许接入的硬件设备MAC地址。

安全模式：采用AES 128位加密算法进行通信加密，同时提供有0、32、64、128 bit的完整性校验，该模式又分为标准安全模式(明文传输密钥)和高级安全模式(禁止传输密钥)。

所以，窃听攻击发送在非安全模式下，攻击者可以通过抓取数据分组的形式，查看受害者的数据分组内容。

(2)密钥攻击

由于在密钥传输过程中，可能会以明文形式传输网络/链接密钥，因此可能被窃取到密钥，从而解密出通信数据，或伪造合法设备。也有可能通过一些逆向智能设备固件，从中获取密钥进行通信命令解密，然后伪造命令进行攻击。

ZigBee攻击的工具，比较有名的就是KillerBee。KillerBee是一套专门用来攻击ZigBee网络和IEEE802.15.4 协议的一组攻击套件，它是基于 Python 编写的应用程序框架。整个项目都是在Linux操作系统上完成的。而这个项目不是去完成攻击，而是提供编写程序的框架，攻击者可以通过自己学习这个程序以简化常见的攻击过程。详细地说，就是使用这个框架中的一些功能可以完成对ZigBee的安全漏洞攻击，在攻击的同时还需要使用KillerBee工具包。

要想使用KillerBee工具包的全部功能，有些组件需要被编译链接，然后创建到工具包中，其中主要包括下面的硬件和软件。

硬件：RZ Raven USB接口的记忆棒、AVR Dragon片上编译器、100 ms到50 ms JTAG支持架适配器、50 ms“公头对公头”的连接头和10针2排5列100 ms“母头对母头”带状连接线。

软件：AVRDUDE工具、RZUSBstick记忆棒的免费KillerBee固件、主机(用于运行连接和将程序写入RZUSBstick记忆棒中)。