Matter协议分析¶
简介¶
Matter设备Node结构：双孔插座¶
Node：对应一个物理设备
Endpoint：对应一个逻辑设备
Cluster：对应一个功能集
Attribute：功能集指示状态的属性
Command：功能集指示交互的命令
Endpoint0：适用于整个Node，用于描述设备特性
EndpointX：具体的逻辑设备
算法¶
算法：私钥签名、公钥验签¶
PKI证书验证、通信加密过程¶
DH Key Exchange¶
DH是离散对数应用于密码学的算法:
1. Alice产生一个私钥a，算出公钥A=g^a mod p，并发送给Bob
2. Bob产生私钥 b，算出公钥B=g^b mod p，并发送给Alice
3. Alice把收到的公钥算出密钥K=B^a mod p=>g^ab mod p
4. Bob算出密钥K=A^b mod p=> g^ab mod p
DF在安全性上不能阻止中间人攻击、identity misbinding和Replay攻击，
Sigma通过签名和消息认证的方式解决这个弱点
SIGMA: SIGs and MAc
Sigma协议是PFS（Perfect Forward Secrecy）的
PASE参数交换¶
1. 两边首先交换密码派生函数（PBKDF）的参数
2. 基于简单的初始密码如20202021通过SPAKE2+交互产生安全强度大的ShareKey
SPAKE2+¶
1. 双方基于已知密码派生出w0,w1
2. 双方分别产生随机数x,y，并计算出公钥X,Y并交换
3. Alice和Bob分别用从对方那儿收到的公钥和自己的随机数计算Z，V
4. 两边把X,Y,Z,V,w0等双方共有信息计算出哈希值并派生出共享密钥Ke和确认密钥Kcp和Kcv
5. 用Kcv,Kcp对X,Y进行MAC运算并交换结果
6. 双方验证确认消息无误后可以通过基于Ke派生出多个密钥用于随后的数据通讯加解密
椭圆曲线密码学 (ECC) 原理¶
椭圆曲线是个2元3次方程:
y^2 = x^3 + ax + b
系数a,b决定了椭圆的形状
如:
比特币中采用的椭圆曲线是: `secp256k1` => a=0, b=7
Matter中彩的是: `secp256r1`
定义:
1. 在有限域上的椭圆曲线取一个基点G(x,y)
2. 将其和整数k做点的相乘得到曲线上另外一个点P(x,y)
3. 即: P=k*G, 其中k是私钥, 而P是公钥
4. 计算P=k*G非常快，而计算k=P/G则非常慢
椭圆曲线上的``点的加法``:
1. 曲线上有A(x1,y1)、B(x2,y2)两点
2. 过A、B做直线和EC相交于C'(斜率为k)
3. 过C'做Y轴的平行线交于C(x3,y3)点
那么我们定义: C=A+B
加法适用于交换律和结合律
x3=k^2-x1-x2
y3=k(x1-x3)-y1
伽罗瓦域(Galois Field)
Bridge¶
Bridge：非Matter设备加入Matter网络¶
Bridge设备Node结构¶
Bridge设备Node结构¶
Factory Data¶
最终产品要烧录的信息:
DAC
privateKey for DAC
PAI
PAKE Verifier
CD
1. 两边首先交换密码派生函数（PBKDF）的参数
2. 基于简单的初始密码如20202021通过SPAKE2+交互产生安全强度大的ShareKey
灯泡产品的证书链以及其他要写入设备的Factory Data，二维码里面有：VID, PID, Password¶
1. 将PAA根证书提交给CSA，批准后可以放到DCL上
2. PAI使用不同的VID表示不同的供应商
3. DAC使用VID和PID表示不同的产品
AKID: Authority Key Identifier
在Device Attestation阶段通过比对AKID来从Trust Store里找到对应的PAA证书
CD文件是要把设备送到认证机构，通过matter认证才能拿到
安全¶
安全与隐私保护原则:
安全与隐私保护是基本信条
保证设备和信息安全与保护隐私是标准的设计原则，同时力求使用简便
1. 全面
分层叠加的安全机制
2. 强健
经过验证的标准加密算法
3. 易用
提升易用性
4. 韧性
保护安全，发现问题，恢复纠正
5. 敏捷
注重加密的灵活敏捷性，适应新技术和新威胁
攻击目标&方式:
目标：
设备、网络、网关、服务、数据、人群、协议、算法
威胁分析:
严重程序： 可能性&影响程度
可能性：
接入：物理、近距离、远距离
困难程度：困难、一般或容易
影响程度：
范围：单个设备、家庭网络、整批产品
数据&控制：低第三数据、敏感度有限数据、极其敏感数据
Matter提升物联网安全与隐私保护的准绳:
1. 简单、安全、灵活的设备配网
2. 验证每个设备都是真实且经过认证的
3. 不断更新的DCL(Distributed Compliance Ledger, 分布式合规数据库)
4. 强大的设备身份标识，仅允许指定的设备加入
5. 保护机密性的安全通信方式
6. 甚至群组通信也受到保护
7. 多管理员和控制端，给用户更多选择
8. 访问控制需经过验证以防止未经授权的操作
9. 安全且标准化的软件更新程序
0. 校验软件的完整性
PASE¶
Passcode authenticated Session Establishment
Send PBKDF Request and Response¶
1. Alice产生随机数a,SessionID, PasscodeID和布尔值false组成PBKDFParamRequest包发送给Bob
2. Bob将Alice发过来的随机数和自己产生的随机数b，SessionID，迭代次数，盐值组成PBKDFParamResponse包发送给Alice
3. 双方将”CHIP PAKE V1 Commissioning”加request和response消息包产生一个Hash运算结果Context以备后用
生成随机数w0,w1¶
1. 双方将基本密码、迭代次数、盐值，调用`PBKDF-SHA256`产生w0和w1
2. Bob还要计算L=P*w1
Send Pake1¶
1. Alice首先产生一个随机数x,并通过公式算出公钥`X=x*P+w0*M`发送给Bob
2. Bob产生一个随机数y,并通过公式算出公钥`Y=y*P+w0*N`
Send Pake2¶
1. Bob通过公式算出Z和V
2. 再连接之前算出的Context，X,Y,w0,M,N用哈希运算产生K_main
3. 再用基于MAC的派生函数HKDF派生出共享密钥Ke和一组确认密钥Kcv和Kcp
4. Bob作为Verifier角色用Kcv做为密钥对Alice发送过来的公钥X进行基于Hash的MAC运算产生确认消息cB
5. 确认消息cB加上之前生成的公钥Y形成Spake2发送给Alice
Send Pake3¶
1. Alice通过公式算出Z和V
2. 然后用和Pake2同样的参数算出K_main
3. 再派生出共享密钥Ke和一组确认密钥Kcp和Kcv
4. 首先用Kcv对X进行HMac运算，并比对Bob发送过来的cB是否吻合
5. 然后Alice作为`Prover`的角色，用Kcp对公钥Y进行HMAC运算产生确认消息cA
6. 形成Spake3包发送给Bob
Generate Session Keys¶
完成Session Establishment之后，再用SessionKeys作为输入，调用HKDF从密钥Ke派生出I2RKey和R2IKey
配网过程¶
Device Commissioning¶
1. Commissioner通过BLE、WiFi或IP网络发现可以添加的设备，并通过二维码、NFC、手工输入获取简易密码
2. Commissioner和设备通过PASE协议用简易密码派生出复杂密钥用于随后的加密通讯
3. Commissioner向设备要求提供DAC&PAI，通过PAA验证是否厂家授权设备
4. 认证合规设备发起CSR请求，Commissioner向设备发送RCAC、ICAC、NOC用于以后CASE通讯
5. Commissioner向设备发送网络的SSID和密码要求设备加入网络
6. 双方通过CASE协议产生通讯密钥
设备验证合法性过程1(Device Attestation Procedure)¶
1. Commissioner要求设备提供DAC和PAI
2. Commissioner产生随机数Nonce并通过Attestion Request请求命令发送给设备
3. 设备将CD、Nonce和时间戳组成Element
4. 设备将Element和在PASE时生成的`Attestion Challange Key`使用DAC密钥生成签名Signature
5. 设备将Element和Signature通过`Attestion Response`请求发送给Commissioner
设备验证合法性过程2(Attestation Information Validation)¶
1. 设备出厂时带着DAC和PAI
2. Commissioner则在其`Trusted Root Store`保持根证书PAA，PAA也存放在网络服务器DCL中
3. 首先Commissioner检查DAC和PAI里的VID是否相符合
4. Commissioner将Element和在PASE时生成的`Attestion Challange Key`使用DAC公钥对Signature进行验签
5. Commissioner从PAI中拿出`AKI(Authority Key Identifier)`作为索引
从`Trusted Root Store`提取PAA，并用PAA验证PAI和DAC证书链的有效性
6. 最后从Element中提取出随机数Nonce和本地存储的随机数做比较
7. 如果所有这些都验证通过，则把设备加入到网络中
设备验证合法性后生成NOC1(Node Operational CSR)¶
设备验证完成后，需要产生一个新的证书链用于以后的CASE通讯:
1. 首先Commissioner产生一个随机数随`CSR Request`命令发送到设备
2. 设备端产生新的密钥对，并创建证书签名请求(CSR)，里面包含新产生的公钥并用新产生的私钥进行签名
3. 设备将CSR和收到的随机数Nonce拼接成Element
4. 设备将Element和`Attestation Challange Key`用DAC的私钥产生数字签名Signature
5. 设备将Element和Signature通过`CSR Response`请求发送给Commissioner
设备验证合法性后生成NOC2(CSR Information Validation)¶
1. Commissioner首先用DAC公钥对收到的Signature和Element进行签名验签
2. Commissioner确认Element的完整性后，提取出Nonce和CSR
3. 将Nonce和本地存储的随机数对比
4. 再用CSR中的节点公钥来进行签名验证CSR信息完整性
5. 验证通过后，将CSR中的公钥作为为输入，生成NOC、ICAC、RCAC形成完整的证书链
Add Certification and Join Network¶
1. Commissioner首先将RCAC发送给设备
2. 然后发送NOC和ICAC，再发送WiFi的SSID和密码并要求设备加入网络
之后就可以用共有的证书通过CASE建立安全通讯
CASE¶
Sigma Key Exchange¶
Send and Validate Sigma1¶
1. Alice首先产生DH密钥对、一组随机数，SessionID
2. 将随机数、Root公钥、FabricID和目标设备NodeID作为输入，
用IPK（Identity Protection Key）作为密钥通过HMac算法生成一个认证码Identifier
3. Alice将随机数、SessionID、认证码、即时公钥打包成Sigma1发送给Bob
4. 双方将消息产生的Hash(msg1)保存起来
5. Bob收到消息后，遍历内部记录的每一个Fabric的信息，提取根公钥、FabricID、NodeID加上Alice发送过来的随机数，HMAC算法生成TargetID
6. 对每一个TargetID和Sigma1中的验证码Identifier对比，直到找到相等结果，记录此时的Fabric信息
随机数保证了HMAC算法的新鲜度
Send Sigma2¶
1. Bob首先产生DH密钥对。一组随机数、SessionID
2. 将收到Alice的即时公钥和Bob的即时密钥通过ECDH，计算出共有密钥ShareKey
3. 再将调用HKDF以随机数，即时公钥和Hash(msg1)为输入，从ShareKey派生出Sigma2 key用于以后的对称加密
4. Bob将NOC证书、ICA证书再加上Bob和Alice的即时公钥作为输入，用Noc私钥调用ECDSA，产生数字签名TBS2Sig
5. 数字签名的解签需要对应的NOC的公钥，所以NOC证书一定要发送给Alice
6. Bob将数字签名TBS2Sig、加上NOC，ICA和ResumptionID作为输入，
用Sigma2 Key作为密钥调用AES-CCM生成加密数据Encrypted2
7. 最后Bob将随机数、SessionID，即时公钥，加密数据Encrypted2打包成Sigma2发送给Alice
双方将消息产生的Hash(msg1-2)保存起来
Validate Sigma2¶
1. Alice收到Sigma2后，用Alice即时密钥和Bob即时公钥通过ECDH计算出共有密钥ShareKey
2. 再调用HKDF从SharedKey派生出Sigma2 Key用于随后解密
3. 将Encrypted2作为输入，Sigma2 Key作为密钥调用ACS-CCM解密得到NOC，ICA证书和ResumptionID及数字签名TBS2Sig
4. Alice首先验证证书的有效性，然后用NOC公钥对TBS2Sig进行签名验证
Send Sigma3¶
1. Alice用HKDF以IPK和Hash(msg1-2)为输入，从ShareKey派生出Sigma3 Key用于随后对称加密
2. Alice用NOC和ICA证书再加上Bob和Alice的即时公钥作为输入，用NOC私钥调用ECDSA产生数字签名TBS3Sig
3. Alice将数字签名TBS3Sig加上NOC和ICA证书作为输入，用Sigma3 Key作为密钥调用AES-CCM生成加密数据Encrypted3
4. Alice将其打包成Sigma3发送给Bob
双方将产生的Hash(msg1-3)保存起来
Validate Sigma3¶
1. Bob收到Sigma3后，调用HKDF从SharedKey派生出Sigma3 Key
2. 对Encrypted3进行解决得到NOC、ICA证书和数据签名TBS3Sig
3. Bob首先验证证书的有效性
4. 然后用NOC公钥对TBS3Sig进行签名验证
Generate Session Keys¶
在完成Session Establishment后，再用IPK和Hash(msg1-3)作为输入，调用HKDF从SharedKey派生出I2RKey和R2IKey。
Group¶
caption¶
1. 首先在设备ACL中使能指定Group ID的访问
2. 向设备写入 `Epoch Key` 并派生出 `Operational Group Key` 用于对称加密
3. 再用组密钥派生出 `GroupSessionID` 和 `GroupPrivacyKey`
4. 再将 `密钥ID` 和 `GroupID` 绑定
5. 最后通过 `AddGroup` 命令添加设备到group里
cluster¶
Node代表加入Fabric的设备
Endpoint代表不同功能的虚拟子设备
其中Endpoint 0用来提供适用于整个Node的服务
Cluster可以看作提供服务的一个组合
指示状态的Attribute
交互操作的Command列表
Cluster提供服务的是Server
Cluster请示服务的是Client
Descriptor Cluster
每个Endpoint都包含一个
用来描述Endpoint的信息
每个Descriptor Cluster包含有下面4个attribute没有command:
1. Device Type list：表明Endpoint是什么类型的设备 每种Device Type都会指定必须包含的Cluster 例：DeviceType=Dimmable Light的设备要求必须有如下Cluster Server： Identity Groups On/Off Level Control 2. Cluster Server List 3. Cluster Client List 4. Parts(Endpoints) List Endpoint 0的Parts List要列出这个Node所包含的其他所有Endpoint Number
On/Off Cluster Server包含:
Attribute: OnOff
Command: On,Off,Toggle
Level Control Cluster Server:
Attributes:
0: CurrentLevel
1: MinLevel
2: Max Level
Command:
0: MoveToLevel
1: Move
2: Step
3: Stop
4: MoveToLevelWithOnOff
5: MoveWithOnOff
6: StepWithOnOff
7: StopWithOnOff
Access Control Cluster:
Attributes:
0: AccessControlList(ACL)赋予指定的Node以指定的权限来访问指定的资源
1. Priviledge
1.View、2.Proxy View、3.Operate、4.Manage、5.Adminuster
2. AuthMode
1.PAKE、2.CASE、3.Group
3. Subject：授权给谁(PasscodeID; Node ID; Group ID)
4. Targets：指定开放哪个Cluster、Endpoint、DeviceType
1: Extension
2: SubjectsPerEntry
3: TargetsPerEntry
4: EntitiesPerFabric
Binding Cluster:
Attributes:
TargetList:
1. NodeID 2. GroupID 3. Endpoint 4. Cluster
OTA¶
1. OTA Provider 向外广播自己的存在
2. OTA Requestor向Provider查询新的OTA Image
3. Provider通过手机App提示用户授权OTA升级
4. 得到批准后Provider从服务器下载OTA Image到本地
5. 在收到下次的查询命令后，通过BDX协议传送Image给Requestor
6. 传送完成后，Requestor通知Provider并请求升级
7. 得到批准后，Requestor完成软件升级并知会Provider
Announce OTA Provider: 向外广播自己的存在，包括自己的Node ID, VID¶
广播的3个原因Reason:
1. 简单宣告自己的存在
2. 有可更新的OTA Image
3. 有需要紧急更新的OTA Image。
EndPoint项是告知:
在哪个endpoint可以找到Provider的cluster server和device type
Query Image Command(Requestor)¶
Protocol项表示Requestor支持哪种OTA通讯协议:
0. BDXSynchronous
1. BDXASynchronous
2. HTTPs
3. VendorSpecific
Query Image Response(Provider)¶
Status:
表征Provider的状态
0. UpdateAvailable
1. Busy
2. NotAvailable
3. ProtocolNotSupported
Apply Update Request(Requestor), Apply Update Response(Provider), Notify Update Applied(Requestor)¶
参考¶
[TorchIoTBootCamp]matter 协议介绍: https://space.bilibili.com/605447248/channel/collectiondetail?sid=284745