[SDR] SDR 教程实战 —— 利用 GNU Radio + HackRF 手把手深入了解蓝牙协议栈（从电磁波 -> 01数据流 -> 蓝牙数据包）

目录

• 0、前言
• 1、体验
• 2、代码解析
  • 2.1 目录结构
  • 2.2 main.py
  • 2.3 grc gnu radio 流程图
  • 2.4 如何从 01 数据流中解析出 BLE 广播包
    • 2.4.1 物理层
    • 2.4.2 数据链路层
      • 2.4.2.1 角色
      • 2.4.2.2 数据格式
    • 2.4.3 加密相关
      • 2.4.3.1 Cyclic Redundancy Check(循环冗余检查)
      • 2.4.3.2 Data Whitening
    • 2.4.4 在 ellsys 中的一个蓝牙 LL 层数据
  • 2.5 app_frame.py 之 BLE Beacon 数据解析代码实现
    • 2.5.1 判断是否满足最小帧要求
    • 2.5.2 找到固定帧头
    • 2.5.3 对 PDU HEADER 进行去白及验证 PDU TYPE 合法性
    • 2.5.4 对 PDU 进行去白及验证 CRC 合法性
• 参考链接
• 教程列表
• 视频和博客

0、前言

该教程详细介绍了从电磁波级别开始，反向嗅探蓝牙低功耗广播包的全过程。虽然这里面涉及极其多的专业知识，但是一步一步去阅读，小白应该也可以了解个大概 ^_。

如果能将本文完全理解，将会大大提升你对蓝牙协议栈的理解（是蓝牙协议栈最最底层级别的了解）、将会大大提升你对通信原理的理解、将会大大提升你对 GNU Radio 工具的理解、将会大大提升你对于无线通讯黑客嗅探的理解！

那么，让我们开始 ba～

1、体验

1）在 linux 电脑 clone 代码，并且进入 ble_adv_rx 目录：

git clone git@github.com:nbtool/auto_test_tool.git
cd auto_test_tool/app/app_sdr_ble_adv_rx

2）将 hackrf 插入电脑 USB3.0 的端口
3）运行 make , 可以看到 hackrf 收取到了 BLE 广播包

2、代码解析

2.1 目录结构

➜  app_sdr_ble_adv_rx git:(master) ✗ tree
.
├── app_frame.py        # BLE 广播包协议解析逻辑
├── BT.xlsx             # 蓝牙 BLE 包格式说明
├── grc                 # GNU RADIO 流程图 
│   ├── gr_ble.grc
│   ├── gr_ble.py
│   └── __init__.py
├── main.py             # 主逻辑 
├── makefile            # MAEKFILE 
└── readme.md

2 directories, 8 files

2.2 main.py

def analysis_cmd(str):
    print("analysis_cmd:[%02X][%02X]" %(str[0],str[1]),end=' ')
    print("mac:",end = '')
    for d in reversed(str[2:8]):
        print('%02X' %(d), end='')
    print(" data:",end = '')
    for d in str[8:]:
        print('%02X' %(d), end=' ')
    print(' ')


# Initialize Gnu Radio
gr_block = gr_block()           					# 实例化 gnu radio 流程图
gr_block.start()                					# 启动 gnu radio 流程图
gr_block.set_ble_channel(app_frame.BLE_CHANS[37])   # 设置 BLE SCAN 通道为 37
zmq1 = bsp_zmq.bsp_zmq("tcp://127.0.0.1:55555")     # 借助我自己封装的 zmq 类，用于从 gnu radio 流程图中通过 socket 接收数据
frame = app_frame.FRAME(analysis_cmd)               # 借助我自己封装的 app_frame 类，用于分析处理从 gnu radio 流程图
													# 中获取的数据，从而过滤、去白、格式分析出 BLE 广播包数据，
                                                    # 通过 analysis_cmd 回调给应用层

try:                                                # 不断判断 zmq 的 socket 端口是否有数据，如果有读取并放入 frame 的 fifo 中
    while 1<2:
        if zmq1.iswaiting() != 0:
            x = zmq1.read()
            frame.insert_data(x)
        frame.run()


except KeyboardInterrupt:
    zmq1.close()             # close port
    gr_block.stop()
    gr_block.wait()
    print("safe exit")

main 文件是此程序的入口，实例并启动 gnu radio; 实例 zmq，用于该 python 程序与 gnu radio 通信; 实例 app_fram 用于分析处理 gnu radio 传来的数据。

注：如果想要更细了解 ZMQ 的机制，参考《[SDR] GNU Radio 系列教程（十四） —— GNU Radio 低阶到高阶用法的分水岭 ZMQ 的使用详解》

2.3 grc gnu radio 流程图

这里的流程图如下：

这个流程图和《SDR 教程 —— 利用 GNU Radio + HackRF + WireShark 做蓝牙抓包器（超低成本）》中的一样。

• 数据源采用 RTL-SDR Source，设备选择 hackrf =0, 其频率对应的是蓝牙广播扫描的信道。
• 源数据出来后，过一个阈值过滤 -70dB 过滤器
• 然后再过一个低通滤波器
• 然后送到 GFSK 解码模块
• 最后送到 ZMQ 将数据发布出去

本质是一个 GFSK 解码接收机，类似一个 nRF24L01+ 模块《如何为编程爱好者设计一款好玩的智能硬件（十）——无线2.4G通信模块研究·一篇说完》。当然，我们也能用一个纯具备 GFSK 制式的 2.4G 接收模块，实现 ble beacon 的接收！！！

2.4 如何从 01 数据流中解析出 BLE 广播包

想要知道如何从 01 数据流中解析出 BLE 广播包，我们首先需要看看 BLE 协议栈从下到上有哪些层：

最下面物理层是载波和制式相关的电磁波相关要求，这一层要求了电磁波的频率、编码、数据率等，实现 01 与电磁波的互相转换；次高一层是 Link Layer 层，该层约定了 01 数据流以怎样的帧组织方式是合法的。这两层组成了 BLE Controller 层，是蓝牙芯片厂家至少要实现的层。

2.4.1 物理层

1）信道

我们如果想要抓取广播信道，只要关注：37、38、39 三个信道，起频率分别为：2400KHz、2426KHz、2480KHz

注：反过来看上一节的流程图中 RTL-SDR Source 默认的频率为 2.426GHz,意味着默认采集 38 信道的数据
注：编码方式采用 GFSK

2.4.2 数据链路层

2.4.2.1 角色

在 37、28、39 信道发送信息的叫做 advertiser ; 接收信息的叫做 scanner。

2.4.2.2 数据格式

这有份 BLE 数据链路层超全的格式说明：https://github.com/nbtool/auto_test_tool/blob/master/app/app_sdr_ble_adv_rx/BT.xlsx

我们以 4.0/4.1 版本为例：

其中：

1）Preamble

所有链路层数据包都有一个 8 位前导码。 在接收机中使用前导码来执行频率同步，符号定时估计和自动增益控制（AGC）训练。

• 广告信道数据包应具有 10101010b 作为前导码。
• 数据信道分组前导码是 10101010b（0xAA）或 01010101b（0x55），具体取决于接入地址的 LSB。 如果接入地址的 LSB 是 1，则前导应为 01010101b，否则前导应为 10101010b。

2）Access Address

由发起者生成，用来在两个设备之间识别一个LL层连接

• 所有广播数据包的访问地址都是 10001110100010011011111011010110b (0x8E89BED6)。
• 所有连接数据包的访问地址都是随机值，并遵循一定规则，每次连接重新生成。

3）PDU

Protocol Data Unit，协议数据单元

PDU 有两种，广播信道传输的是广播 PDU，连接信道传输的是连接 PDU。

4）CRC

每个 Link Layer 数据包的结尾都有 24 位的 CRC 校验数据，它通过 PDU 计算得出。

2.4.3 加密相关

这里有个至关重要的流程，需要看蓝牙协议栈 《CoreSpecification_v5.0.pdf》：

2.4.3.1 Cyclic Redundancy Check(循环冗余检查)

循环冗余校验作用于数据链路层 PDU 部分

If the PDU is encrypted, the CRC is calculated after encryption.

这里的 CRC 多项式是一个 24 bit 多项式：x^24+x^10+x^9+x^6+x^4+x^3+x^1+x^0 其物理上对应一个线性反馈移位寄存器 (LFSR) with XOR taps at bit 0, 1, 3, 4, 6, 9, 10, and 24.

数据从最低有效位开始移位到移位寄存器。移位寄存器用已知的共享值或 0x555555 进行初始化。

线性反馈移位寄存器中的CRC编码示例，预设为0x555555（10101010101010101010）—— Animation by Mark Hughes

当接收到数据包时，在CRC之后检查访问地址。如果其中一个不正确，则数据包将被拒绝，并停止处理。

2.4.3.2 Data Whitening

数据白化防止重复位（00000000或11111111）的长序列。它被应用于发射机的 CRC 之后的链路层的 PDU 和 CRC 字段。在接收器中的 CRC 之前执行去白化。白化器和去白化器都使用在比特 4 和比特 7 处具有抽头的7比特线性反馈移位寄存器（LFSR）。

The shift register is initialized with a sequence that is derived from the channel index：

• 位置 0 设置为 1
• 位置 1 到 6 被设置成 the channel index of the channel used when transmitting or receiving, with the MSB in position 1 and the LSB in position 6

Bits are shifted along the shift register from 0→1, 1→2, 2→3, 4→5, 5→6, 6→0. Bit 3 and bit 6 are processed with the XOR ⊕ operator to determine bit 4 (0⊕0=0,0⊕1=1,1⊕0=1,1⊕1=0)

图示用通道26 = 0x1A (1011010)初始化的数据白化线性反馈移位寄存器内部的逻辑图像 —— Animation by Mark Hughes

1011010
https://www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/CoreSpecification_v5.0.pdf [3.2 DATA WHITENING]
通道 26 = 00[01 1010]
position0 = 1(固定的）
position 1 = 0(通道的最高有效位MSB）
position 2 = 1
position 3 = 1
position 4 = 0
position 5 = 1
position 6 = 0（通道最低有效位LSB）

第一次移位寄存器为：
1011 010 （取position6 和 position3 进行异或得到下次的 position 4数据）
0101 101
1010 010
0101 001
...

算法实现：

• 1）channel bit 左右反转，右数第二位置1 （00[01 1010] -> [010110]10）形成 lfsr
• 2）对于每一字节的输入，bits 左右反转成 d，循环 8 次：
  • 从左往右取出 lfsr 和 d 的每一 bit，亦或运算赋值给 d 的对应 bit
  • 取position6 和 position3 进行异或得到下次的 position 4数据
  • 注：下面代码里用了比较巧妙的方式，做到了上面两点）

PYTHON 代码为：

# Swap bits of a 8-bit value
# ➜  sdr4iot-ble-rx git:(master) ✗ python test_swap.py 
# 0b11010101
# 0b10101011
def swap_bits(value):
    return (value * 0x0202020202 & 0x010884422010) % 1023

# (De)Whiten data based on BLE channel
def dewhitening(data, channel):
    ret = []
    lfsr = swap_bits(channel) | 2

    for d in data:
        d = swap_bits(ord(d[:1]))
        for i in 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1:
            if lfsr & 0x80:
                lfsr ^= 0x11
                d ^= i

            lfsr <<= 1
            i >>= 1
        ret.append(swap_bits(d))

    return ret

测试代码：

for xx in self.gr_buffer[pos:pos + BLE_PDU_HDR_LEN]:
    print(hex(ord(xx)),end=' ')
print('<--PRE (%d)', self.current_ble_chan)

ble_header = dewhitening(
   self.gr_buffer[pos:pos + BLE_PDU_HDR_LEN], self.current_ble_chan)
            
for xx in ble_header:
    print(hex(xx),end=' ')
print('<--AFTER')

输入输出：

0xcd 0xf7 <--PRE (%d) 37
0x40 0x25 <--AFTER
0xcd 0xf7 <--PRE (%d) 37
0x40 0x25 <--AFTER
0x3a 0x79 <--PRE (%d) 37
0xb7 0xab <--AFTER
0x93 0xf7 <--PRE (%d) 37
0x1e 0x25 <--AFTER
0x85 0x9f <--PRE (%d) 37
0x8 0x4d <--AFTER
0x60 0x15 <--PRE (%d) 37
0xed 0xc7 <--AFTER
0x6b 0xdf <--PRE (%d) 37
0xe6 0xd <--AFTER
0xea 0x95 <--PRE (%d) 37
0x67 0x47 <--AFTER
0xaa 0x6d <--PRE (%d) 37
0x27 0xbf <--AFTER
0xaa 0x86 <--PRE (%d) 37
0x27 0x54 <--AFTER
0xdb 0xb3 <--PRE (%d) 37
0x56 0x61 <--AFTER
0xd5 0x96 <--PRE (%d) 37
0x58 0x44 <--AFTER
0xa3 0xf4 <--PRE (%d) 37
0x2e 0x26 <--AFTER
0xcd 0xf8 <--PRE (%d) 37

2.4.4 在 ellsys 中的一个蓝牙 LL 层数据

下面是一个 ellsys 中的数据：

2.5 app_frame.py 之 BLE Beacon 数据解析代码实现

• insert_data 就是将 ZMQ 从 GNU Radio 中获取的数据放入 FIFO（data_buf） 中
• run 是不断被执行的函数
  • 首先调用 frame_ok 进行帧解析判断，如果解析出 ble beacon 就调用 fun_analysis 同知应用层

因此，重点显而易见都在 frame_ok 函数中：

2.5.1 判断是否满足最小帧要求

str_len = len(str)
if str_len < FRAME.P_MIN_LEN:
    return (-2,start_pos,end_pos)

2.5.2 找到固定帧头

while start_posif(str[pos:].startswith('\xAA\xD6\xBE\x89\x8E')):
        break
    start_pos = start_pos+1

注：Preamble + Access Address

2.5.3 对 PDU HEADER 进行去白及验证 PDU TYPE 合法性

# Dewhitening received BLE Header
ble_header      = bsp_algorithm.bt_dewhitening(str[start_pos+FRAME.P_PDU_HEADER:start_pos+FRAME.P_PDU_HEADER+BLE_PDU_HDR_LEN],37)

ll_pdu_header   = (ble_header[0] << 8) | ble_header[1]
ll_pdu_type     = ble_header[0] & 0x0f    
ll_pdu_txadd    = (ble_header[0] >> 6) & 0x01
ll_pdu_rxadd    = (ble_header[0] >> 7) & 0x01
ll_pdu_lenght   = ble_header[1] & 0x3f 

head_pos        = start_pos+FRAME.P_PDU_HEADER
adva_pos        = start_pos+FRAME.P_PDU_PAYLOAD_ADVA
advdata_pos     = start_pos+FRAME.P_PDU_PAYLOAD_ADVDATA
crc_pos         = start_pos+FRAME.P_PDU_PAYLOAD_ADVA+ll_pdu_lenght
end_pos         = start_pos+FRAME.P_PDU_PAYLOAD_ADVA+ll_pdu_lenght+BLE_CRC_LEN

# Check BLE PDU type
if ll_pdu_type not in BLE_PDU_TYPE.values():
    # print("Invalid ll_pdu_type: {:x}".format(ll_pdu_type))
    return (-1,start_pos,end_pos)

2.5.4 对 PDU 进行去白及验证 CRC 合法性

# Dewhitening BLE packet
self.ble_data      = bsp_algorithm.bt_dewhitening(str[head_pos:crc_pos],37)
if self.ble_data[-3:] != bsp_algorithm.bt_crc(self.ble_data, 2 + ll_pdu_lenght):
    if ll_pdu_type == 0:
        '''
        print("->head:%04x [T:%02x T:%d R:%d L:%d] adva_pos:%d advdata_pos:%d crc_pos:%d end_pos:%d str_len:%d" \
                %(ll_pdu_header,ll_pdu_type,ll_pdu_txadd,ll_pdu_rxadd,ll_pdu_lenght, \
                adva_pos,advdata_pos,crc_pos,end_pos,str_len))
        for x in self.ble_data:
            print('%02X ' %x, end = '')
        print('\n')
        '''
        return (0,start_pos,end_pos)

参考链接

[1].MICROCHIP Developer Help 关于蓝牙协议栈的简单介绍
[2].What is Bluetooth 5? Learn about the Bit Paths Behind the New BLE Standard

教程列表

• [1]. GNU Radio 系列教程（一） —— 什么是 GNU Radio
• [2]. GNU Radio 系列教程（二） —— 绘制第一个信号分析流程图
• [3]. GNU Radio 系列教程（三） —— 变量的使用
• [4]. GNU Radio 系列教程（四） —— 比特的打包与解包
• [5]. GNU Radio 系列教程（五） —— 流和向量
• [6]. GNU Radio 系列教程（六） —— 基于层创建自己的块
• [7]. GNU Radio 系列教程（七）—— 创建第一个块
• [8]. GNU Radio 系列教程（八）—— 创建能处理向量的 Python 块
• [9]. GNU Radio 系列教程（九）—— Python 块的消息传递
• [10]. GNU Radio 系列教程（十）—— Python 块的 Tags
• [11]. GNU Radio 系列教程（十一）—— 低通滤波器
• [12]. GNU Radio 系列教程（十二）—— 窄带 FM 收发系统（基于ZMQ模拟射频发送）
• [13]. GNU Radio 系列教程（十三）—— 用两个 HackRF 实现 FM 收发
• [14]. GNU Radio 系列教程（十四）—— GNU Radio 低阶到高阶用法的分水岭 ZMQ 的使用详解
• [14]. SDR 教程实战 —— 利用 GNU Radio + HackRF 做 FM 收音机
• [15]. SDR 教程实战 —— 利用 GNU Radio + HackRF 做蓝牙定频测试工具（超低成本）
• [16]. SDR 教程实战 —— 利用 GNU Radio + HackRF + WireShark 做蓝牙抓包器（超低成本）

视频和博客

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