手把手玩转路由器漏洞挖掘系列-ZigBee协议

原创 nil 山石网科安全技术研究院 2024-10-17 10:39

1. 基本介绍

ZigBee是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的近距离无线通信技术。它基于IEEE 802.15.4标准，主要用于短距离数据传输和监控应用。

ZigBee网络由协调器、路由器和终端设备组成，支持星型、树型和网状等多种拓扑结构。该技术广泛应用于智能家居、工业自动化、医疗监护等领域，通过低功耗和自组织网络特性，实现高效、可靠的无线数据传输。ZigBee的传输速率在10KB/秒到250KB/秒之间，支持大量设备连接，具有强大的网络容量和灵活的节点配置能力。

2. 协议概述

2.1 栈结构

ZigBee协议组成主要涵盖了四个层次，这些层次共同构成了ZigBee网络协议栈的基础，确保了数据的可靠传输和网络的有效管理。以下是ZigBee协议组成的详细概述：
– 物理层

• 处理无线电硬件之间的实际通信

• 基于IEEE 802.15.4标准的无线通信技术

• 传输层

• 管理无线链路，包括处理帧的发送、接收、超时重传、收发确认等

• 提供了安全和管理机制，如加密、身份认证和底层设备管理

• 网络层

• 负责多跳网络的支持，主要包括路由选择、拓扑结构和组网等功能(星型、树型和网状拓扑结构)

• 协调器、路由器和终端设备

• 负责定义不同应用的数据格式和通信规则

• 节点之间的路由和寻址机制，确保数据传输的可靠性和安全性

• 不同设备之间的互相通信，允许节点在网络中相互切换

2.2 数据帧

2.2.1 具体分布

• 物理层

• SHR – 前导序列

• PHR –  PSDU长度信息

• PSDU – MAC层协议数据单元

• 传输层

• MHR – 控制信息、序列号、寻址信息等

• MSDU – 网络层和应用层数据

• MFR – 帧校验序列

• 网络层

• 网络层帧头和有效载荷

• 应用层

• 数据和服务

2.2.2 帧结构

信标帧

帧控制域	序列号	地址域	附加安全头部	超帧描述	GTS分配释放信息	转发数据目标地址信息	帧负载	FCS

数据帧

帧控制域	序列号	地址域	附加安全头部	数据帧负载	FCS校验

确认帧

帧控制域	序列号	FCS

2.3 安全机制

ZigBee主要提供三个级别的安全模式:
– 非安全模式

• 不采取任务安全措施 – 可重发、中间人攻击

• 访问控制模式

• 只允许接入的硬件设备MAC地址存在列表中，限制无合法节点访问获取相关数据

• 安全模式

• 支持128位AES加密算法进行数据通信加密

Wireshark里面提供的安全级别可支持预设密钥用于解析数据包

2.4 密钥类型
– 主密钥

• 配合ZigBee对称密钥的建立(SKKE)过程来派生其它密钥，在建立网络时生成或配置的，用于后续生成网络密钥和链接密钥。

• 网络密钥

• 保护广播和组数据的机密性和完整性，同时也为网络认证提供保护

• 链接密钥

• 保护两个设备之间单播数据的机密性和完整性

• 其他密钥

• 除了上述主要密钥外，ZigBee协议还可能定义其他类型的密钥，如应用主密钥、应用链接密钥等，用于特定场景下的安全通信

3. 安全风险

3.1 中间人攻击

ZigBee采用非安全模式，对数据传输内容没有加密，可能被窃取敏感数据内容。

3.2 密钥攻击

在密钥传输过程中，密钥内容会以明文形式传输，因此可能被获取密钥信息，通过密钥对数据信息进行解密或者伪造合法接入设备。

4. 总结

当前，针对ZigBee协议的攻击策略主要聚焦于其密钥安全性的薄弱环节，其密钥安全是整个Zigbee协议中最重要一环。