1。简介1.1为什么需要加密互联网是一个开放的环境，通信双方都是未知的。为了防止双方的有效信息被第三方窃听、篡改或冒充，需要对信息进行保护。即所有信息加密，避免被第三方窃听；可通过验证机制识别信息是否被篡改，并配备身份认证，防止身份冒充。Internet通信安全基于SSL/TLS协议。1.2SSL/TLS协议的历史1996年，在之前的基础上，SSL3.0版本问世并得到广泛应用；1999年，互联网标准化组织ISOC取代NetScape，发布了SSLTLSversion1.0的升级版本，又称SSL3.1；SSL和TLS指的是同一套加密协议，只是不同时期叫法不同。2006年和2008年，TLS经历了两次升级，分别是TLS1.1和TLS1.2。一般推荐使用TLS1.2，主流浏览器都支持。2.SSL/TLSEvolution熟悉一套技术的演进步骤，比直接看最新版本更容易理解。2.1明文时代，小帅直接明文给小美发消息。缺点很明显。第三方小黑可以轻松窃取信息，还可以修改后发给小美。而且，小美收到后并不知道，还以为是小帅送的。2.2对称加密时代，小帅和小美保存着同一个秘钥。小帅发来的信息先加密，小美收到后用同样的密码解密。这种使用相同密钥进行加密和解密的算法称为对称加密算法。短期内，小黑对加密数据无能为力，但每次更改秘钥，都需要提前协商。如果协商出现问题，当小帅将新密钥告知小美时，密钥被小黑截获，后续密文将给小黑。说，他还可以解密成明文。也可以篡改明文信息，然后用相同的秘钥加密后发送给小美。2.3非对称加密时代由于交换密钥存在风险，小帅和小美采用非对称加密算法。双方分别保存自己的私钥和公钥，并配对。私钥自己保管，公钥由私钥运算生成发送给对方。不能从公钥推导出私钥；但是用公钥加密的密文可以用私钥解密；使用私钥签名，使用公钥验证；这种使用不同密钥的加密和解密算法就变成了非对称加密算法。通信前，双发先将自己的公钥发送给对方，私钥保密；小帅先用小美提供的公钥加密数据，同时用自己的私钥签名标记，打包一起发给小美，小美用自己的私钥解密，然后用小帅的公钥验证，确认收到的信息是否来自小帅。在这种加密通信形式中，公钥被协商和传输。即使被小黑截获，也无法解密后面的信息，因为解密必须要用到私钥。但是，如果小黑子在第一次交换公钥时截获了公钥，截获了小帅发给小美的公钥，然后将自己的假公钥发给小美；截获小美发来的数据，小黑用自己的私钥解密，再用自己的私钥加密后发给小帅。完成了这么一套复杂的加密协议，结果还是存在隐患。2.4公证时代的问题在于公钥的交换。小梅收到了一个公钥。如何证明公钥确实是小帅签发的？比如买房，只有房管部门确认并盖章录入系统的房产证才是真实的。房产证，才能放心交易。公钥的真实性由CA（CertificateAuthority）认证机构保证，公钥的真实性得到保证和公证。CA也是基于非对称加密算法。小帅先把自己的公钥给CA，CA用自己的私钥加密数据。加密后的数据称为小帅的数字证书。之前小帅发给小美的公钥，改为发CA加密的数字证书。小美收到后，通过CA颁发的CA证书（包括CA的公钥）对小帅的数字证书进行解密，从而得到小帅的公钥。问题是小美如何保证CA证书不是小黑伪造的呢？CA证书是预置在浏览器或操作系统中，或者是在嵌入式设备中，不需要在线获取，自然不存在劫持和篡改的问题。虽然小黑仍然可以用公钥截获数字签名证书，但是可以用CA公钥解密其中的内容；但是他没有CA秘钥，所以无法伪造正确的数字签名证书，也就是小帅的真实公钥Black可见，不可更改。如果改了小美，会发现异常，只是公钥没什么价值。2.5TLS协议时代公证时代的解决方案是SSL/TLS协议加密通信的基础。由于使用非对称加密算法比对称加密算法更复杂并且消耗计算资源，因此出于效率的考虑，非对称加密将只用于传输一条信息，即对称加密密钥。确定对称加密的密钥，后续有效信息采用对称加密算法进行网络传输。既保证了网络通信的安全，又不影响效率。SSL/TLS协议的基本过程：1.通过CA系统交换公钥2.使用非对称加密算法交换密钥进行对称加密3.对有效数据使用对称加密算法，密文传输的前两步也是称为“握手阶段”（handshake），是SSL/TLS加密通信的基础。2.6TLS的应用在SSL/TLS出现之前，很多应用层协议（http、ftp、smtp等）都存在网络安全问题。最常见的http协议在传输过程中使用明文信息。一旦传输消息被截获，传输内容将被泄露；如果消息在传输过程中被篡改，对方不容易发现；不能保证消息交换对端身份的可靠性。为了解决此类安全问题，在应用层和传输层之间增加了SSL/TLS协议，并升级为https。SSL/TLS目前广泛应用于数据安全协议中。关于SSL/TLS的开源软件包很多，比如openSSL、mbedtls等，openSSL功能更强大，mbedtls体积更小，更适合嵌入式设备。3.mbedtls随着物联网的发展，设备节点的安全越来越重要。与互联网上的openSSL相比，物联网中的嵌入式设备更适合小型灵活的MbedTLS。它曾经被称为PolarSSL。可按需配置，减少硬件资源消耗。mbedtls内置了大量的加解密和哈希算法源码。即使不使用tls加密，也可以从中挖掘出各种算法，比如AES/RSA/MD5等。但是openSSL有更强大的功能。mbedtls是一个开源软件加密库，采用Apache2.0许可协议，用标准C语言编写；独立的模块设计，降低了模块之间的耦合度。从功能上看，主要包括加密库、X509证书、SSL/TLS协议三部分。3.1软件包进入https://tls.mbed.org/[1]，点击下载，在https://github.com/ARMmbed/mbedtls[2]下载源码。Git下载界面上有说明CompilingMbedTLSreleases中目前使用的三个activebuildsystem：GNUMakeCMakeMicrosoftVisualStudio(MicrosoftVisualStudio2013orlater)目前我使用的芯片SDK内置的mbedtls个人接触过v2.4.0、v2。4.2和v2.14.1，把git版本切换到v2.14.1，最后一次提交是2018年。前期我们在电脑上模拟测试，选择了VisualStudio2013。3.2软件结构mbedtls的源码结构如下图mbedtls\include\mbedtls，可以在version.h中查看版本信息，重点是config.h配置，mbedtls是一组加密集，你在实际项目使用中只需要选择一小部分，配置函数宏，削减代码，简化操作。毕竟mbedtls跑一次，一般的arm单片机未必能搞定。programs\ssl下是参考示例、TLS客户端和服务器示例以及DTLS的UDP版本。嵌入式设备多为客户端应用，主要参考ssl_client2.c中的很多配置参数，应用也可以替换ssl_client1.c。测试TLS客户端，首先要准备3个文件，CA证书，客户端公钥数字证书，私钥。一般情况下，命名后缀为：.crtCA证书。pempublickey，CA加密后的公钥，又称数字证书。key私钥有时会和crt、pem混在一起，本质上是CA公钥加密的文件如果没有服务器联调，也可以用自己的ssl_server2.c作为服务器。3.3demo流程分析ssl_client2.c的例子都在main函数里面，大致流程如下：1.首先加载各种证书和秘钥，配置opt结构体成员初始化，比如TLS版本，加密套件类型等2.然后开始连接服务器mbedtls_net_connect3.初始化tls参数mbedtls_ssl_config_defaults，设置网络收发回调函数等4.SSL/TLS握手过程比较复杂。简单来说就是通信双方验证对方的身份，获得对方的公钥，确认加密方式，并对后续数据进行加密或加密。准备解密mbedtls_ssl_handshake5.验证服务器返回的证书mbedtls_ssl_get_verify_result6.如果前面的过程顺利，就可以使用mbedtls_ssl_write,mbedtls_ssl_read收发数据7.测试后清理8.与标准socket编程相比，接口有一定差异对应：4.mbedtls移植首先在电脑端进行模拟测试，确定参数并简化示例中的赋值，因为实际项目参数不会经常变化，优化代码，特别是key加载，嵌入的文件保存在一个数组中，而不是作为文件加载。另外，结合加密级别，确定加密套件类型。仿真测试正常后，移植到ARM平台。主要变化涉及三个方面：网络连接、内存管理和定时器。4.1网络接口mbedtls默认的网络接口，mbedtls/library/net_socket.c，可以在windows下运行。特别注意，默认的socket操作是阻塞模式；一般不适合ARM平台，关闭MBEDTLS_NET_C，结合硬件平台重新实现网络接口。主要包括以下函数：voidmbedtls_net_init(mbedtls_net_context*ctx);intmbedtls_net_connect(mbedtls_net_context*ctx,constchar*host,constchar*port,intproto);intmbedtls_net_recv(void*ctx,unsignedchar*buf,size_tlen);buf,size_tlen,uint32_ttimeout);intmbedtls_net_send(void*ctx,constunsignedchar*buf,size_tlen);voidmbedtls_net_free(mbedtls_net_context*ctx);如果需要DUP版本的DTLS，还需要在该文件下实现其他几个接口。具体过程参考dtls_client。C。对于自定义实现的网络收发接口，需要注册mbedtls_ssl_set_bio来告知底层。mbedtls_ssl_set_bio(&ssl,&server_fd,mbedtls_custom_send,//重写的mbedtls_net_send为底层提供发送接口mbedtls_custom_recv,//为底层提供接收接口mbedtls_custom_recv_timeout)4.2内存管理自定义实现类型如下内存申请和释放接口：void*calloc(unsignedintnum,unsignedintsize)voidfree(void*ptr)实现后，函数注册到底层mbedtls_platform_set_calloc_free(custom_calloc,custom_free)4.3定时器接口DTLS定时器，注册到底层。#ifdefined(__MBEDTLS_DTLS__)//Setdelaystowatchvoidplatform_timing_set_delay(void*data,uint32_tint_ms,uint32_tfin_ms){platform_timing_delay_context*ctx=(platform_timing_delay_context*)data;ctx->int_ms=int_ms;ctxfin->fin_ms=fin_msct!=x->{if(snapshot=custom_get_systicks();}}//获取delaysexpiredintplatform_timing_get_delay(void*data){platform_timing_delay_context*ctx=(platform_timing_delay_context*)data;unsignedlongelapsed_ms;if(ctx->fin_ms==0){return(-1);}elapsed_ms=custom_ticks_to_milli_secs(custom_get_systicks()-ctx->snapshot);//转为毫秒if(elapsed_ms>=ctx->fin_ms){return(2);}if(elapsed_ms>=ctx->int_ms){return(1);}return0;}#endif/*__MBEDTLS_DTLS__*///注册到底层mbedtls_ssl_set_timer_cb(&ssl,&platform_timer,platform_timing_set_delay,platform_timing_get_delay);运行这个函数即可，即使使用阻塞模式也不会有其他问题。实际的嵌入式设备连接到网络，肯定还有其他任务需要被执行。如果设备支持操作系统，你可以单独分配一个线程或任务给mbedtls。推荐使用阻塞机制实现接口，方便调试，尤其是https下载场景。但特殊情况不支持阻塞，重写网络接口时需要特殊处理。例如示例mbedtls_net_connect进行域名解析并连接到服务器。这一步，嵌入式设备的无线网络基本都会返回一个异常，表示被阻塞等待。为了解决这个问题，后续的握手过程需要拆分执行。本来是联网后执行mbedtls_ssl_handshake，等待握手过程结束MBEDTLS_SSL_HANDSHAKE_OVER或while出错，而不是每次收到读消息事件时执行一次或多次mbedtls_ssl_handshake_step。（这个我没有亲自验证）mbedtls_ssl_set_bio注册的读写接口支持非阻塞，mbedtls_ssl_write和mbedtls_ssl_read对应的是应用层接口。底层socket上报read_ready后，判断本次握手已经完成，然后执行mbedtls_ssl_read。4.5证书和密钥测试可以使用mbedtls例子自带的证书、公钥和私钥，但实际项目需要根据服务器域名生成ca证书，以及公钥和私钥双方。源代码programs\pkey下有生成秘钥的代码。作为客户端，需要验证服务器提供的公钥证书，所以本地需要一个CA证书，类似于第一次登录12306时要下载的证书，加上客户端自己的公钥和私钥key，一共有3个文件。gen_key.c生成keyfile.key私钥，默认密钥长度为4096，虽然理论上1024有风险，但是运行速度更快；然后使用openSSL命令行生成公钥。OpenSSL>rsa-inprivate.key-pubout-outpublic.keyopenSSL下载地址https://www.openssl.org/，安装后提示收费，实际使用无异常。秘钥也可以使用openSSL生成OpenSSL>genrsa-outprivate.key2048不知道用法的可以使用help查看说明。至于CA证书，需要在平台端生成，然后提供给设备端。4.6加密套件和配置剪裁确定合适的加密套件，可以屏蔽不用的算法；在计算机运行时瞬间完成，但在实际的arm硬件中可能需要很长时间。例如，在使用RSA时，握手阶段可能需要很长时间。您可以选择ECDSA或缩短的密钥长度。5.Section当前物联网对数据安全的关注度不高。它使用自定义协议以类似于纯文本的方式进行交互，或者使用单一的加密方法。未来智能家居、涉及物业计费的设备节点、特殊行业可能会逐步使用。加密通信，mbedtls是更好的选择之一。即使不使用TLS，也可以选择简单的对称加密。mbedtls也是一个加密算法库，大家可以根据需要提取合适的源码集成。本文转载自微信公众号“嵌入式系统”，可通过以下二维码关注。转载本文请联系EmbeddedSystems公众号。
