MQTT之TLS

Contents

1. 前言
2. 正文

前言

做了很久的实验，一直没能成功，最后还是down的大佬的源码，侵删。

正文

简介

MQTT协议是物联网应用中重要的应用层协议，上一次实验开展了MQTT协议的分析，对MQTT协议的长连接机制、发布/订阅工作模式交互机制进行了分析。但如果MQTT协议不进行安全实现，黑客可以恶意发布信息给服务器，特别是在工业、交通等物联网应用场合后果不堪设想。本实验旨构建MQTT协议安全通信。

要求

（1）掌握MQTT的安全通信的基本原理。

（2）设计MQTT安全通信的安全措施。

（3）实现基于TLS的MQTT通信。

基本步骤

（1）应用层：MQTT协议提供了客户标识以及用户名密码，以便验证设备。基于ACL对主题的订阅和发布权限设置基本的授权。

（2）传输层：传输层可使用TLS加密、验证证书机制，防止中间人攻击。

（3）网络层：可以通过专线或者使用VPN来连接设备与MQTT代理，以提高网络传输的安全性。可以通过防火墙保护MQTT代理端，比如限制端口、限制协议、限制IP段。

注意构建一个局域网，模拟MQTT服务端（代理端）、客户端（分订阅和发布），运用Wireshark抓包分析安全通信过程。

具体过程

服务器

var mosca = require('mosca')
var SECURE_KEY = __dirname + '/tls-key.pem';
var SECURE_CERT = __dirname + '/tls-cert.pem';
var settings = {
  logger: {
    name: "secureExample",
    level: 40,
  },
  secure : { 
    port: 9090,
    keyPath: SECURE_KEY,
    certPath: SECURE_CERT,
  }
};
var server = new mosca.Server(settings);
server.on('published', function(packet, client) {
    //当客户端有连接发布主题消息
    var topic = packet.topic;
    console.log(packet);
    switch (topic) {
        case 'test':
            console.log('收到消息：', packet.payload.toString());
            //MQTT转发主题消息
            //MqttServer.publish({ topic: 'other', payload: 'sssss' });
            break;
        case 'other':
            console.log('message-123', packet.payload.toString());
            break;
    }
});
server.on('ready', setup);
//若用户名与密码有效，接受链接
var authenticate = function(client, username, password, callback) {
  var authorized = (username === 'alice' && password.toString() === 'secret');
  if (authorized) {
      client.user = username;
      console.log('通过认证登录的用户：', username);
  }
  callback(null, authorized);
}

// 授权为alice的客户端可以发布/users/alice，
// 从主题中取得用户名，并校验与授权用户一致
var authorizePublish = function(client, topic, payload, callback) {
  callback(null, client.user == topic);
}

// 授权为alice的客户端可以订阅/users/alice，
// 从主题中取得用户名，并校验与授权用户一致
var authorizeSubscribe = function(client, topic, callback) {
  callback(null, client.user == topic);
}
//mosca配置
function setup() {
  console.log('Mosca secure server is up and running')
  server.authenticate = authenticate;
  server.authorizePublish = authorizePublish;
  server.authorizeSubscribe = authorizeSubscribe;
}

订阅方**

var mqtt = require('mqtt');
var fs = require('fs')
var path = require('path')
var KEY = fs.readFileSync(path.join(__dirname, '/tls-key.pem'))
var CERT = fs.readFileSync(path.join(__dirname, '/tls-cert.pem'))
var TRUSTED_CA_LIST = fs.readFileSync(path.join(__dirname, '/crt.ca.cg.pem'))
var PORT = 9090
var HOST = "127.0.0.1"
var options = {
  port: PORT,
  host: HOST,
  key: KEY,
  cert: CERT,
  rejectUnauthorized: false,
  ca: TRUSTED_CA_LIST,
  protocol: 'mqtts',
  //订阅者实现认证的参数
  username:"alice",
  password:"secret"
}
var client2 = mqtt.connect(options)
client2.subscribe('alice',{qos:0});//订阅主题为alice的消息  
client2.on('message',function(top,message) {  
    console.log('收到消息：', message.toString());  
});

发布方**

var mqtt = require('mqtt');
var fs = require('fs')
var path = require('path')
var KEY = fs.readFileSync(path.join(__dirname, '/tls-key.pem'))
var CERT = fs.readFileSync(path.join(__dirname, '/tls-cert.pem'))
var TRUSTED_CA_LIST = fs.readFileSync(path.join(__dirname, '/crt.ca.cg.pem'))
var PORT = 9090
var HOST = "127.0.0.1"
var options = {
  port: PORT,
  host: HOST,
  key: KEY,
  cert: CERT,
  rejectUnauthorized: false,
  ca: TRUSTED_CA_LIST,
  protocol: 'mqtts',
  //发布者实现认证的参数
  username:"alice",
  password:"secret"
}
var client = mqtt.connect(options)
var num = 0;
var qtt = {}; //定义消息
qtt = 'hello world';
//一秒钟发送一次消息setr=xxxxxxx1xx
setInterval(function() {
    client.publish('alice', qtt, { qos: 0, retain: true });  
}, 10000);

抓包分析

1 客户端发出请求（ClientHello)

(1) 客户端与服务端通过tcp三次握手建立tcp连接后，客户端首先向服务器发出建立加密通信的请求，发送ClientHello请求，从消息体结构看，tls/ssl是基于tcp连接之上，应用层之下的协议。

2 服务器响应（SeverHello）

服务器收到客户端请求后，向客户端发出响应，叫做Sever Hello。

从消息体中，可以看到服务器的响应包含以下内容：

(1) 确认使用的加密通信协议版本，这里确认使用tls1.2，而不是client hello中的tls1.1。响应握手协议消息 server hello。如果浏览器与服务器支持的版本不一致，服务器关闭加密通信。

(2) 一个服务器生成的随机数，稍后用于生成”对话密钥”。

(3) 确认使用的加密套件,这里为rsa+aes128+sha256

(4) 压缩方法为空。

(5) 一些列扩展信息

3 服务端发送服务端电子证书（CA），密钥交换（server key exchange），及server hello done三个握手消息

客户端接收到server hello握手消息后，及时反馈ack消息。服务端接收客户端ack消息后，发送服务端电子证书，密钥交换，及server hello done三个握手消息

从封装内容看，包含两层ssl协议体信息，头一个为服务端证书，后面跟着公共密钥交换和hello done消息体，具体如下：

（1）详细的电子证书信息和CA认证机构信息

（2）密钥交换信息，包括DH算法计算出的pubkey公钥，电子签名的hash算法值

（3）server hello done消息体

4 客户端发送密钥交换信息（client key exchange）、编码改变协议消息(change cipher spec)

客户端发送ack消息给服务端，确认收到server hello done消息，然后发送客户端的密钥交换信息和修改密钥的协议消息

主要内容如下：

(1) 发送DH算法计算的pubkey，用于服务端计算生成解密私钥

(2) 发送编码改变通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送。

(3) 发送加密后的握手消息，一个随机数。该随机数用服务器公钥加密，防止被窃听

(4) 客户端握手结束通知，表示客户端的握手阶段已经结束。这一项同时也是前面发送的所有内容的hash值，用来供服务器校验。（可能在加密消息中，未确认）

客户端收到服务器所有响应消息后，首先验证服务器证书。如果证书不是可信机构颁布、或者证书中的域名与实际域名不一致、或者证书已经过期，就会向访问者显示一个警告，由其选择是否还要继续通信。

如果证书没有问题，客户端就会从证书中取出服务器的公钥，即server key exchange消息中携带的pubkey值。然后，根据根据已经收到的三个随机数计算书加密密钥，对握手信息进行加密通信，然后向服务器发送上面抓包中三项信息内容。

至此，整个握手阶段全部结束。接下来，客户端与服务器进入加密通信，就完全是使用普通的HTTP协议，只不过用”会话密钥”加密数据内容。

五实验体会（不少于300字）

TLS（Transport Layer Security，安全传输层)，TLS是建立在传输层TCP协议之上的协议，服务于应用层，它的前身是SSL（Secure Socket Layer，安全套接字层），它实现了将应用层的报文进行加密后再交由TCP进行传输的功能。

TLS协议主要解决如下三个网络安全问题。

1、保密(message privacy)，保密通过加密encryption实现，所有信息都加密传输，第三方无法嗅探；

2、完整性(message integrity)，通过MAC校验机制，一旦被篡改，通信双方会立刻发现；

3、认证(mutual authentication)，双方认证,双方都可以配备证书，防止身份被冒充；

下面是TLS的握手过程。详细步骤上面也说过了。

Client1：TLS版本号 + 所支持加密套件列表 + 希望使用的TLS选项

Server1：选择一个客户端的加密套件 + 自己的公钥 + 自己的证书 + 希望使用的TLS选项 +（要求客户端证书）

Client2：（自己的证书） + 使用服务器公钥和协商的加密套件加密一个对称密钥

Server2：使用私钥解密出对称密钥后，发送的加密的Finish消息，表明完成握手

任何事物都是有利有弊，引入TLS机制固然是能够保证安全，但却在TCP握手和HTTP通信之间，多加了两个往返的TLS握手过程。

安全问题：

可能存在中间人攻击。