Python网络安全工具高级开发（六十三）：IoT安全之无线协议安全 (Zigbee)

摘要：在本文中，我们将把IoT安全分析从IP层，下沉到更底层的无线射频（RF）领域。我们将重点探讨Zigbee（以及Z-Wave, BLE）等低功耗个人区域网（PAN）协议的安全挑战。我们将分析为何传统的Python网络库无法“听到”这些通信，以及如何通过专用硬件（如Zigbee嗅探器/USB狗）来弥合这一鸿沟。本文将重点介绍Python中用于Zigbee安全审计的专业框架——killerbee。你将学习如何使用killerbee的Python库，配合一个兼容的USB加密狗（如ApiMote），编写一个Zigbee协议嗅探器（Sniffer），来被动地捕获和解析802.15.4数据包，并自动扫描未加密的Zigbee网络，发现“不安全的网络密钥（Network Key）加入”等高危漏洞。

关键词：Python, IoT安全, Zigbee, killerbee, 802.15.4, 硬件Hacking, 无线协议, 嗅探

正文

⚠️ 终极警告：硬件依赖与合法性

硬件要求：本文所讨论的技术必须依赖特定的、外部的USB硬件（如ApiMote, RZUSBstick, Atmel Xplained Pro等）。你无法仅凭一台笔记本电脑和Python来执行。

合法性：嗅探、拦截或注入不属于你的Zigbee、LoRaWAN等无线通信，是非法的。所有实验必须在你自己的、离线的IoT设备（例如，你自己购买的一对智能灯泡和遥控器）上进行。

1. 新的“空中接口”：Zigbee与LoRaWAN (Syllabus 7.2.2.2)

Zigbee (与 Z-Wave):

定位：近距离、低功耗、网状网络（Mesh Network）。

频段：2.4 GHz (全球), 915 MHz (美洲) …

协议栈：基于IEEE 802.15.4标准。

应用：智能家居（飞利浦Hue灯泡、三星SmartThings）、智能门锁、工业自动化。

安全挑战：

密钥管理：Zigbee网络由一个**网络密钥（Network Key）**保护。在“加入”时，这个密钥如何安全地分发给新设备，是最大的安全软肋。

默认密钥：许多设备（特别是早期的Zigbee HA 1.2）使用了公开的、硬编码的“默认”链接密钥（Link Key）。

明文加入：如果设备“加入”网络时，网络密钥是以明文形式在空中发送的，攻击者只要嗅探到这一次“握手”，就能获取密钥并“永久”地解密该网络的所有流量。

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network):

定位：远距离（数公里）、极低功耗、星型网络。

应用：智慧城市（智能水表、垃圾桶传感器）、资产追踪、农业监控。

安全挑战：设备激活（OTAA）过程的安全性、密钥提取、重放攻击（Replay Attacks）。（由于其协议栈更复杂且硬件更专业，我们本章将聚焦于Zigbee）

2. Python的“触手”：`killerbee`框架

killerbee是一个专为Zigbee和IEEE 802.15.4网络安全审计而生的Python框架。它不是一个单一的工具，而是一个库（Library），允许我们用Python来“指挥”兼容的USB硬件。

killerbee能做什么？

zbid (Zigbee ID)：识别你插入的USB狗。

zbstumbler (Zigbee扫描)：被动扫描，发现周围的Zigbee网络，类似airodump-ng。

zbsniffer (Zigbee嗅探)：（我们的重点） 捕获数据包并保存为PCAP文件（是的，Wireshark可以打开它！）。

zbreplay (重放)：重放捕获到的数据包。

…以及更多攻击工具。

环境准备（在Linux上）：

Bash



sudo apt-get install -y python3-serial python3-usb
pip install killerbee
# 插入你的ApiMote或RZUSBstick
# 验证安装
zbid
# 预期输出: "ApiMote v4 (dev /dev/ttyUSB0) ... "

3. 代码实现：`zigbee_sniffer.py` (使用`killerbee`库)

我们将编写一个Python脚本，它导入killerbee库，并实现一个简单的嗅探器，用于发现网络和捕获明文加入的数据包。

Python



# zigbee_sniffer.py
import sys
import time
from killerbee import * # 导入KillerBee的核心库
from killerbee.scapy_extensions import * # 导入Scapy扩展以解析802.15.4
 
# 默认的Zigbee HA (Home Automation) 链接密钥，用于尝试解密
DEFAULT_HA_KEY = b"ZigBeeAlliance09x00x00x00"
 
class ZigbeeSniffer:
    def __init__(self, device_path=None):
        try:
            # 1. 初始化KillerBee硬件
            # (kb) 是我们与USB狗的“连接器”
            self.kb = KillerBee(device=device_path) 
        except Exception as e:
            print(f"[!] 错误: 无法初始化KillerBee硬件: {e}")
            print("[!] 请确保Zigbee USB狗已连接，并且你有访问权限 (尝试 'sudo')。")
            sys.exit(1)
            
        # 2. 设置Scapy扩展 (用于解析)
        load_layer('dot15d4') # 加载802.15.4层
        load_layer('zigbee')  # 加载Zigbee网络层
        
        self.networks_found = {} # 存储发现的网络
 
    def _packet_handler(self, pkt):
        """
        Scapy风格的回调函数，用于处理捕获到的每一个数据包。
        """
        if Dot15d4Beacon in pkt:
            # --- 发现信标帧 (Beacon Frame) ---
            bssid = pkt.sprintf(Dot15d4.src_addr)
            pan_id = pkt.sprintf(Dot15d4.src_panid)
            channel = pkt.channel
            
            if bssid not in self.networks_found:
                self.networks_found[bssid] = pan_id
                print(f"[+] 发现新Zigbee网络 (PAN): PAN ID: {pan_id}, BSSID: {bssid}, Channel: {channel}")
        
        elif ZigbeeSecurityHeader in pkt:
            # --- 发现加密的数据包 ---
            # 尝试使用默认HA密钥解密 (如果KB配置了)
            # ...
            
            # --- 核心：检测"不安全的密钥传输" ---
            # (这是Zigbee协议中的一个漏洞)
            if ZigbeeAppCmdPayload in pkt and pkt[ZigbeeAppCmdPayload].cluster_id == 0x0030: # ZCL_CLUSTER_ID_KEY_ESTABLISHMENT
                 if pkt[ZigbeeAppCmdPayload].command_id == 0x01: # SKKE (Initiator)
                    print(f"
[!!!] 高危: 在{pkt[Dot15d4].src_addr}上捕获到网络密钥(Network Key)传输！")
                    print("    -> 攻击者可以利用此密钥解密该网络的所有流量！")
                    # (专业的工具会在这里提取密钥)
                    # print(pkt.show())
 
    def run_sniff(self, channel):
        """在指定信道上启动嗅探。"""
        try:
            self.kb.set_channel(channel)
            print(f"[*] 已设置信道: {channel}")
            print("[*] 开始嗅探... (按下 Ctrl+C 停止)")
            
            # 3. 启动嗅探
            # prn=... 指定了Scapy的回调函数
            self.kb.sniff(prn=self._packet_handler, store=False)
            
        except KeyboardInterrupt:
            print("
[*] 嗅探停止。")
        finally:
            self.kb.close()
 
def main():
    parser = argparse.ArgumentParser(description="基于KillerBee的Zigbee网络嗅探器。")
    parser.add_argument("-i", "--interface", default=None, help="指定的KillerBee设备路径 (例如 /dev/ttyUSB0)。")
    parser.add_argument("-c", "--channel", type=int, default=11, help="要监听的Zigbee信道 (11-26)。")
    args = parser.parse_args()
 
    # 检查权限
    if os.geteuid() != 0:
        print("[!] 警告: 建议使用 'sudo' 运行以确保硬件访问权限。")
        
    sniffer = ZigbeeSniffer(device_path=args.interface)
    sniffer.run_sniff(args.channel)
 
if __name__ == "__main__":
    import os
    main()