前言

一般一个物联网/工控网络的攻击面：

可能的攻击面：“云网端”
平台层：云端、管理应用
网络层：网络通信设备
感知层：硬件设备以及软件程序

zigbee就是处在感知层和网络层之间的通信协议，作为和设备直接通信的门户，针对zigbee协议可以做到的事情有：
操控设备进行某些操作
获取设备rootshell，并且长期驻留
攻击内网里面的其它物联网或者pc、服务器设备
至于受限于100m的传输范围，其实我们可以拓宽一下思路，比如使用无人机来搭载zigbee的发射模块？
现状就是很多很多设备的zigbee协议没有做到最好，即使做到最好，那也有可能被某些问题导致其安全性受损，接下来尝试浅析一下zigbee协议本身和落地应用的安全

zigbee协议简介

作为一种自组网、低功耗、短时延、自愈能力强、可容纳大容量节点的局域网通信技术，Zigbee主要使用在智能家居、各类工业或者城市的传感器场景，而且芯片便宜，非常适合大规模部署的设备
有两个原因使得Zigbee网络和通信通常被认为难以受到攻击：

1）Zigbee网络具有封闭性质，配备了专用的调试流程来将新设备添加到网络中。除调试外，Zigbee网络处于关闭状态，控制器不会处理加入请求。来自未经授权设备的数据包将被拒绝。

2）Zigbee协议使用AES算法加密和CCM*模式认证来保护应用层（即网络层的有效负载）。如果没有正确的安全密钥（在调试期间交换），攻击者无法渗透Zigbee系统。
但真实情况恐怕并非如此

Zigbee三种安全模式

1、非安全模式：不采取任何安全服务策略，默认，仅适合调试；
2、访问控制模式：通过访问控制列表限制非法节点获取数据，但不对传输进行加密；
3、安全模式：不仅进行访问控制，也采用AES 128位加密算法进行通讯加密

接下来仅讨论第三种情况，因为前两种情况安全性非常差，仅仅适合用于调试而非部署，
对其进行安全性的分析，可以不关注通信层面繁多的知识
，而应该重点关注：网络层、应用层如何做认证

Zigbee如何实现安全

zigbee很早就考虑到了传输安全问题，使用AES128的加密传输措施以及CCM模式认证，对网络层的payload进行加密传输，数据帧的封装情况如下
物理层-数据链路层-网络层(NWK,Network)
最后使用MIC(MessageIntegrity Code)验证数据完整性，类似于CRC校验

在2003年，Jakob Jonsson已经证明了AES-CCM在隐私性和真实性方面的安全性与其他提议的模式（如OCB）一致。
因此，研究Zigbee认证机制的安全性显得更为有意义。

Zigbee协议的两个安全密钥

要了解Zigbee协议网络架构安全性的区别，首先又要了解以下两种密钥

NetworkKey网络密钥

给网络层的唯一密钥(zigbee局域网的门户)NetworkKey网络密钥，用来保证网络层的安全传输，主要用在广播通信，每个节点都要有网络密钥才能与其他节点安全通信。
可以是通过网络设备向信任中心发出请求，要求将密钥发送给它获得

LinkKey链接密钥

给应用层端到端加密的两两之间独立密钥：
LinkKey链接密钥，如果节点之间希望进行通信，则节点需要向信任中心请求一个链接密钥，用来保证端到端的安全

Zigbee协议安全模型

分为以下两种模型
集中式安全模型：复杂但最安全的模型
分布式安全模型：简单，但是安全性较低。

Zigbee分布式网络(mesh组网)

分布式安全模型(mesh组网)为什么安全性较低？

网络中的所有节点都使用相同的网络密钥Network Key来加密消息。
为了配置方便，所有节点在注册入网络之前都已预先配置了一个链接密钥Link key，用于在注册过程中加密传输网络密钥（Network Key）。
攻击者只需获取一个节点的网络密钥，即可解密和伪造该网络中所有节点之间的通信。
不推荐使用这种不安全的网络，如果一定要使用，做好密钥的保密和防窃听工作吧

Zigbee集中式网络

集中式安全模型提供了更高的安全性，因为集中管理所有安全策略和密钥分发和周期性的更新，能有效地防止密钥的重用、未经授权的设备加入网络，
并且每组通信使用新协商的link key链接密钥，这也让敌手无法通过单点的设备来解密整个网络的通信

接下来尝试浅析集中式网络这一网络架构的安全性

Zigbee的密钥分发过程

Link key链接密钥分发

如果网络里面设备A想和设备B进行通信，这个过程是没有太大问题的
整个过程都使用Network key进行AES加密的通信来进行

Zigbee1.0和Zigbee2.0的Network key分发

但是问题恰恰就出在Network key的分发上面
首先向父节点路由发送MAC关联请求。 如果关联成功，则设备处于已加入但未认证状态
父节点给设备发送MAC关联成功的响应之后，再向Trust Center发送更新设备消息，指示新节点希望加入ZigBee网络。
然后由Trust Center决定是否允许设备加入。如果允许该设备加入，Trust Center则向父节点发送Network Key

Zigbee1.0和Zigbee2.0的严重安全问题

由于入网前新设备不知晓任何密钥信息，所以此处有Network密钥的明文分发过程，然而，Zigbee1.0和Zigbee2.0在这部分是明文传输的
这造成敌手可以监听这部分的流量，从而截获Network Key，并且已经有成熟的工具，如Killerbee,Zigator,Attify Zigbee Framework

有不少厂商甚至直接采用链接密钥的默认值：5A69 67 42 65 65 41 6C 6C 69 61 6E 63 65 30 39，ASCII转换过来就是：ZigBeeAlliance09

Zigbee3.0的Network key分发

zigbee3.0做了一些安全上的改进，例如：
ZigBee 3.0的设备在出厂的时候，必须固化一个预定义链接密钥(Preconfigured Link Key，有时候也被称作installation code)用于密钥分发，然后通过带外的(设备底座贴纸，或者扫二维码)密钥分发，
虽然简单，但这对无法物理接触设备的敌手来说有奇效

引入新的认证模式，是否真的足够安全？

协议设计很美好，实现起来无懈可击仍然不易，有很长一段路要走
再次从云网端出发，反向思考对zigbee协议的攻击面

我目前能想到的有
• 厂商配置
• 管理应用的缺陷
• 干扰zigbee协议工作，造成信息泄露
• 代码实现/硬件上的缺陷

厂商配置

配置错误，造成协议无法发挥其安全能力
使用Zigbee版本，是否是最新的3.0？
使用了Zigbee3.0，是否启用最高的安全等级？
使用最高的安全等级，是否启用预定义的链接密钥？
是否在管理端应用、终端应用上存在某些让Zigbee不够安全的实现？

管理应用的缺陷

需要扫二维码来获取install code 将设备加入网络

在跳过情况下，Zigbee协调器使用默认的“信任中心”链接密钥(ZigBeeAlliance09)来加密“传输密钥”命令。一切又回到了Zigbee2.0

干扰zigbee协议工作，造成信息泄露

针对未加密字段进行信息收集，假设敌手能够接入网络，可以发送特制的数据包并观察返回的区别来进行信息收集，了解网络拓扑、网络数据帧nwk payload包含的指令,从而让攻击者知道更多信息以计划进一步的攻击
如下图，在加入网络后，可以根据nwk payload长度、跳数、来源的机器种类等信息，来知晓被加密nwk payload内包含的指令

类似的研究还有很多：
敌手可通过引起PAN ID冲突观察设备响应，Zigbee3.0会有不一样的响应。
敌手可利用注入信标请求并观察响应,来区分Zigbee路由器和协调器。
设备的扩展地址是全球唯一的64位IEEE地址，包含组织标识符。可借此缩小可能的硬件设备种类范围。
......

代码实现/硬件上的缺陷

Zigbee的协议解析应用层的消息的相关实现的程序错误，可能会造成安全问题：

代码实现缺陷
CVE-2020-6007 (菲利普智能家居的bridge组件解析Zigbee应用层消息时，由于错误地处理类型，造成堆溢出，导致可以通过zigbee网络远程获取设备shell)

硬件上的缺陷
CVE-2020-27892(Texas Instruments CC2538工业控制芯片 在解析Zigbee应用层消息时，由于没有正确处理ZCL Discover命令接收后的响应信息造成dos)
对于工业控制系统而言，dos会让其损失可用性，这已足够致命

参考资料

这个可以看看zigbee安全相关的标志位的细节https://www.digi.com/support/knowledge-base/zigbee-3-0-security
故障注入，干扰https://www.anquanke.com/post/id/210403#h3-12

适合刚开始看https://blog.csdn.net/qq_32505207/article/details/107682978
killer bee相关用法的很好的展示，比如https://anquan.baidu.com/article/431
如果使用默认link密钥，即使是zigbee3.0也可以做一些事情https://www.freebuf.com/vuls/372429.html
zigbee的zcl协议解析不当造成的堆溢出，很精彩https://research.checkpoint.com/2020/dont-be-silly-its-only-a-lightbulb/
这篇文章对zigbee3.0的安全改进的概括是比较完整的https://www.ebyte.com/new-view-info.html?id=2170