前言
背景介绍：由于各种原因，阿里云用户有的设备不能使用Link SDK来接入物联网平台，需要自己编写代码实现mqtt sign，本文将初步的介绍一下签名的原理以及提供几个用代码实现mqtt sign的示例。
基本概念和原理：
本文调试用的工具地址： 调试工具
1、 加密算法：
1-1 散列算法（哈希、摘要）
也叫做Hash函数，常见的散列函数有MD5、SHA-1、SHA256等。
通过散列函数，可以为数据创建“数字指纹”（散列值、数字摘要）。散列值通常是一个短的随机字母和数字组成的字符串。信息收发双方在通信前商定了具体的散列算法，并且该算法是公开的。如果消息在传递过程中被篡改，则该消息不能与已获得的数字指纹相匹配。
注意：散列函数的主要作用不是完成数据加密和解密的工作，是用来验证数据的完整性的重要技术。
应用场景：A->B，B要验证A发送的内容没有被篡改
A：
原文1：123456
通过哈希函数(如：MD5)生成指纹1：e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e
B：
收到原文2：1234567 （假设原文内容被中间人更改了）
把原文2通过MD5生成指纹2：fcea920f7412b5da7be0cf42b8c93759
通过对比指纹1和指纹2来是否一样，来判断原文内容是否被修改，而不是把指纹2逆向解析出原文（MD5不可逆）
特点：
单向不可逆：只能从输入推导出输出，而不能从输出计算出输入
可破解（不安全）：
①、可以反查询
②、不可抵御中间人的攻击
高效，固定长度：散列算法的执行效率要尽量高效，针对较长的文本，也能快速地计算出散列值。散列函数通过换算可以将任何长度的数据输出成固定长度的散列值。
（MD5 是128bit -16个字节-32个16进制的字符。）
雪崩效应：如果数据在传输过程中哪怕发生了一比特的修改，经过散列函数运算后，散列值会发生很大的变化。
1-2 HMAC
HMAC算法是基于信息散列算法的基础上，增加了一个密钥对散列算法的结果(指纹)进行加密得到密文1，
接收方也将收到的消息内容，通过同一个密钥对消息内容进行HAMC得到密文2，来比对密文1和密文2是否相同。在散列算法的基础上，增加了一个身份识别的功能。
常见的HMAC算法有：hmacmd5，hmacsha1和hmacsha256，对应散列算法中的md5，sha-1，sha-256。
优点：
优化了散列算法无法抵御中间人攻击的缺点。
假设有 A 、B、C 三个人。
业务场景是A给B要发送一段文字："I Love You"
单纯使用散列算法的情况：
A发送给B：
原文1：I Love You
MD5指纹1：cd2824bba5d2803793c0553c8f7c0bd1
这个时候C从中作梗，给B发送
C发送给B
原文2：I Hate You
MD5指纹2：03a161dc954eb252606b24121b9ba801
B：收到原文2，通过原文2进行MD5得到指纹3，与指纹2进行比对发现内容完整
得到未被篡改的消息内容【I Hate You】
使用HMAC算法的情况：
A发送给B：
原文1：I Love You
将原文1用密钥1314520
进行HMAC运算得到密文1(签名1)：5decea54c0a2f2e2a42f630fb90a6cfd
这个时候C想从中作梗，给B发送
C发送给B
原文2：I Hate You
但是由于没有密钥1314520，使用了其他密钥3344520
进行HMAC运算得到密文2(签名2)：eeebed42f8a68907b3d9924c42d82749
B：收到原文2，通过密钥1314520进行HMAC运算
得到密文3（签名3）：4aca2934ac46b546a5365f673f272c4c
通过比对密文2和密文3 不匹配，发现消息内容被篡改，成功抵御中间人C的攻击。
缺点：
1、发送方和接收方都要知道这个密钥，上文中的1314520
2、无法证明发送方是自己本人，密钥K如果泄露给了别人，那别人就可以使用密钥K与接收方进行正常通信
HMAC可以增加身份识别，但是存在身份可靠性问题，无法验证该身份是否合法。
（如何解决：CA机构+TLS证书，相当于【公安机关+身份证】。本文不作过多讲解。）
1-3 数字签名
数字签名就是在散列算法的基础上，使用一定的加密算法，进行加密得到别人无法伪造的一段数字串。
1-2中的HMAC也属于数字签名的一种运用，另外像TLS证书上的签名等等也是数字签名的运用，只不过TLS证书
使用的是非对称加密方式，通过公钥解密进行验签，HMAC使用的是对称加密方式，通过比对签名的方式进行验签。
用户A用私钥将原文打上自己的签名，用户B通过用户A发布到网上的公钥（证书）对签名进行解密（验签）来确定用户A的身份以及消息内容是否被更改。
2、MQTT签名机制
2-1概述
mqtt签名实际就是mqtt设备接入（包括一机一密认证、一型一密预注册认证、一型一密预注册、一型一密免预注册）物联网平台CONNECT报文中的mqttPassword这个参数，也就是mqtt接入的密码，物联网平台用来校验设备的身份。
另外，注意，一型一密免预注册添加的设备进行认证，不需要签名，直接使用的是token进行认证
从文档中可以看到，这里的签名方法使用的是HMAC的方式
signmethod：表示签名算法类型。支持hmacmd5，hmacsha1和hmacsha256，默认为hmacmd5。
结合1-2章节HMAC，mqtt签名机制，实际上就是：设备端将连接报文中的一部分参数当成消息内容，通过HMAC算法
签名生成一个密码，服务器端从收到的报文按照约定也通过HMAC算法签名生成一个密码，进行校验。
2-2设备端（客户端）
注意：mqttClientId和clientId以及ClientID的区别，clientId是mqttClientId的一部分，clientId=ClientID
clientId可以是自定义的，ClientID是由物联网平台提供（一型一密免预注册）。
设备端通过发送MQTT连接报文接入物联网平台，包含三个参数：
（1）、mqttClientId:
认证 |
注册 |
||||
控制台注册/ |
免预注册方式添加设备 |
预注册 |
免预注册 |
||
一机一密 |
老版公共实例 |
clientId+"|securemode=3, |
不支持 |
不支持 |
|
新版公共实例 |
|||||
企业实例 |
|||||
一型一密 |
老版公共实例 |
clientId+"|securemode=-2, (这里的clientId非自定义了，整个mqttClientID都是通过免预注册一起返回来的) |
clientId+"|securemode=2, |
clientId+"|securemode=-2, |
|
新版公共实例 |
clientId+"|securemode=2, |
clientId+"|securemode=-2, |
|||
企业实例 |
|||||
（2）、mqttUsername：
deviceName+"&"+productKey
（3）、mqttPassword：
一机一密认证：
将productKey、deviceName、timestamp和clientId几个参数生成content
一型一密：
将deviceName、productKey、random 几个参数生成content
使用密钥（DeviceSecret或者ProductSecret）进行HMAC 算法签名得到mqttPassword
一机一密用DeviceSecret，一型一密用ProductSecret。
顺便区分一下一机一密和一型一密：
一机一密，是用于激活设备，创建和物联网平台的mqtt通信通道，
一型一密，是用于注册设备，获取设备的接入信息（设备三元组或者ClientID、DeviceToken）
一型一密分为预注册和免预注册，预注册的方式得到的是三元组信息，再通过一机一密的方式激活设备。
免预注册的方式得到的是ProductKey、DeviceName、ClientID、DeviceToken，直接通过这几个参数接入物联网平台。
（DeviceToken 作为mqttPassword，所以设备端不需要再计算mqttPassword）
2-3物联网平台（服务器）
物联网平台从MQTT报文中的（productKey、deviceName、timestamp和clientId）或者（deviceName、productKey、random）几个参数生成content
从MQTT报文中的signmethod参数，得到HMAC算法，
通过该算法计算签名得到sign来和MQTT报文中的mqttPassword参数进行比对，达到设备身份校验的目的。
2-4如何规避HAMC的缺点
1-2中提到，HMAC，双方都需要"提前”知道密钥，虽然可以校验身份，但是对发送方的身份合法性不能进行校验。
（1）所以设备密钥(DeviceSecret)，产品密钥(ProductSecret)这个东西不要泄露给其他人，文档中也有明确提示。只有设备端和平台“知道”，就保证了身份的合法性。
（2）设备和物联网平台建立连接的时候也可以选择TLS接入，即MQTT-TLS，利用TLS证书加强对身份合法性的校验，本文不过多描述。
实践示例
1、使用阿里云现有工具
参考链接，不过多叙述
2、使用C语言进行mqtt sign。
2-1 概述-准备工作
（1）环境说明
- 开发语言：C99标准的C语言。
- 开发工具：Linux 或者Mac OS ，VIM编辑器
- 编译工具：GCC
（2）前提条件
已在物联网平台控制台，对应实例下，创建产品和设备，并获取MQTT接入域名和设备证书信息（ProductKey、DeviceName和DeviceSerect）。具体操作，请参见：
（3）源码获取
单击打开aiot_mqtt_sign.c，复制源码，然后粘贴保存为本地的aiot_mqtt_sign.c文件。aiot_mqtt_sign.c文件定义了函数aiotMqttSign()。
- 原型：intaiotMqttSign(constchar *productKey, constchar *deviceName, constchar *deviceSecret, char clientId[150], char username[65], char password[65]);
2-2 修改源码，自定义设备的mqtt接入参数
(1) 增加stdint.h头文件的包含
里面有uint32_t 这种数据类型的定义。
（2）编写main函数（程序入口）
int main()
{
/* invoke aiotMqttSign to generate mqtt connect parameters */
char clientId[150] = {0};
char username[65] = {0};
char password[65] = {0};
int rc = 0;
#if MQTTAUTH
/*一机一密*/
if ((rc = aiotMqttSign(EXAMPLE_PRODUCT_KEY, EXAMPLE_DEVICE_NAME, EXAMPLE_DEVICE_SECRET, clientId, username, password) < 0)) {
printf("aiotMqttSign -%0x4x\n", -rc);
return -1;
}
#else
/*一型一密*/
if ((rc = aiotMqttSign(EXAMPLE_PRODUCT_KEY, EXAMPLE_DEVICE_NAME, EXAMPLE_PRODUCT_SECRET, clientId, username, password) < 0)) {
printf("aiotMqttSign -%0x4x\n", -rc);
return -1;
}
#endif
printf("mqttClientId: %s\n", clientId);
printf("mqttUsername: %s\n", username);
printf("mqttPassword: %s\n", password);
return rc;
}
（3）增加宏定义 MQTTAUTH、REGISTER、REGNWL
/*mqtt 认证*/
#define MQTTAUTH
/*一型一密预注册*/
#define REGISTER
/*一型一密预注册*/
#define REGNWL
（4）增加宏定义EXAMPLE_PRODUCT_KEY 和 EXAMPLE_DEVICE_CLIENTID
#define EXAMPLE_PRODUCT_KEY "a16hDZJpRCl"
#define EXAMPLE_DEVICE_CLIENTID "qwert"
(5) 删除这两行代码
2-2-1 一机一密
① 注释掉REGISTER、REGNWL宏，留下MQTTAUTH
② 初始化content、mqttClientid所需要的值
（一机一密content要用到productKey、deviceName、timestamp和clientId）。
ProductKey、DeviceName、DeviceSecret、timestamp。
#ifdef MQTTAUTH
/*一机一密认证/控制台（API）添加的设备的认证*/
#define EXAMPLE_DEVICE_NAME "IoTDeviceDemo1"
#define EXAMPLE_DEVICE_SECRET "a3b15a116aec5**马赛克**39b7bd4bc4952"
#define TIMESTAMP_VALUE "1655198877533"//当前时间
#define MQTT_CLINETID_KV "|timestamp=1655198877533,_v=paho-c-1.0.0,securemode=3,signmethod=hmacsha256,lan=C|"
#endif
其中，MQTT_CLINETID_KV ，即构造mqttClientId参数
由clientid+ MQTT_CLINETID_KV组成
修改MQTT_CLINETID_KV，
timestamp要和TIMESTAMP_VALUE对应
signmethod 固定写死hmacsha256，目前只实现了这个算法。
③ 修改源码使clientId实现自定义
增加两行
char ClientID[1024] = {0};
memcpy(ClientID, EXAMPLE_DEVICE_CLIENTID,strlen(EXAMPLE_DEVICE_CLIENTID))；
修改三行
memcpy(clientId, ClientID, strlen(ClientID));
memcpy(clientId + strlen(ClientID), MQTT_CLINETID_KV, strlen(MQTT_CLINETID_KV));
memset(clientId + strlen(ClientID) + strlen(MQTT_CLINETID_KV), 0, 1);
如图：
④ 构造mqttUsername
（无需修改）
固定DeviceName&ProductKey的格式
⑤ 按字典升序组装content
修改这一段代码为
#ifdef MQTTAUTH
memcpy(macSrc, "clientId", strlen("clientId"));
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), ClientID, strlen(ClientID));
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), "deviceName", strlen("deviceName"));
#else
memcpy(macSrc, "deviceName", strlen("deviceName"));
#endif
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), deviceName, strlen(deviceName));
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), "productKey", strlen("productKey"));
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), productKey, strlen(productKey));
#ifdef MQTTAUTH
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), "timestamp", strlen("timestamp"));
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), TIMESTAMP_VALUE, strlen(TIMESTAMP_VALUE));
#else
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), "random", strlen("random"));
memcpy(macSrc + strlen(macSrc), RANDOM_VALUE, strlen(RANDOM_VALUE));
#endif
clientIdqwertdeviceNameIoTDeviceDemo1productKeya16hDZJpRCltimestamp1655198877533
添加一行：加个content的打印，调试用，content没有组装对也会导致签名错误。（易错点）
printf("content:%s\n",macSrc);
⑥ 使用设备密钥（DeviceSecret）对字典升序后的content进行签名，构造mqttPassword参数
（无需修改代码）
调用utils_hmac_sha256接口，进行hamcsha256运算，目前只实现了这个算法。
⑦ 编译&运行，验证结果
输入编译&运行指令：
gcc aiot_mqtt_sign.c -o test1
./test1
另一边，用工具计算出的结果：
对比一下工具计算出来的结果和mqttPassword，两者是完全匹配的。（这一步还不能完全说明签名是正确的，只能说代码逻辑没有问题，但是如果content不对，最终的签名和阿里云还是不匹配的。）
然后使用这三个参数，mqttClientId，mqttUsername，mqttPaassword验证是否可以通过阿里云物联网平台认证：
mqttClientId: qwert|timestamp=1655198877533,_v=paho-c-1.0.0,securemode=3,signmethod=hmacsha256,lan=C|
mqttUsername: IoTDeviceDemo1&a16hDZJpRCl
mqttPassword: 24F9D22DA8DE6D8BE6****(马赛克)****E982BB357DF6FBA037D769F
MQTT.FX用这几个参数成功接入，如图
到这一步才能说明签名是完全正确的。
2-2-2 一型一密预注册
注意检查产品的动态注册开关是否已打开。
在一机一密的代码基础上进行修改
① 注释掉MQTTAUTH 、REGNWL宏，留下REGISTER
② 增加ProductSecret和Radom的宏定义，DeviceName换一个设备（未激活状态），以及mqttClientId
#ifdef REGISTER
#define EXAMPLE_DEVICE_NAME "IoTDeviceDynamicDemo1"
#define EXAMPLE_PRODUCT_SECRET "oa7oO91coNaHT6OS"
#define RANDOM_VALUE "123456789"
/*一型一密预注册,这里用老版公共实例测试，如果是企业实例或者新版公共实例，需要加一个instanceId参数*/ #define MQTT_CLINETID_KV "|securemode=2,authType=register,random=123456789,signmethod=hmacsha256|"
#endif
其中，MQTT_CLINETID_KV ，即构造mqttClientId参数
由clientid+ MQTT_CLINETID_KV组成
修改MQTT_CLINETID_KV，
timestamp要和TIMESTAMP_VALUE对应
signmethod 固定写死hmacsha256，目前只实现了这个算法。
③ 构造mqttUsername
（无需修改）
固定DeviceName&ProductKey的格式
④ 按字典升序组装content
在一机一密的代码基础上，无需再改，注意前边的宏定义REGISTER
注意：一型一密认证的content不需要clientid和timestamp这两个参数，另外加了一个random参数
content:deviceNameIoTDeviceDynamicDemo1productKeya16hDZJpRClrandom123456789
⑤ 使用产品密钥（ProductSecret）对字典升序后的content进行签名，构造mqttPassword参数
（不需修改），注意前边的宏定义REGISTER
调用utils_hmac_sha256接口，进行hamcsha256运算，目前只实现了这个算法。
⑥ 编译&运行，验证结果
输入编译&运行指令：
gcc aiot_mqtt_sign.c -o test2
./test2
另一边，用工具计算出的结果：
对比一下工具计算出来的结果和mqttPassword，两者是完全匹配的。（这一步还不能完全说明签名是正确的，只能说代码逻辑没有问题，但是如果content不对，最终的签名和阿里云还是不匹配的。）
然后使用这三个参数，mqttClientId，mqttUsername，mqttPaassword验证是否可以通过阿里云物联网平台成功进行注册：
mqttClientId: qwert|securemode=2,authType=register,random=123456789,signmethod=hmacsha256|
mqttUsername: IoTDeviceDynamicDemo1&a16hDZJpRCl
mqttPassword: 102469CD77D18973AB6EB0E0****(马赛克)****BF9056767E529BBF5DEB4CE
MQTT.FX用这几个参数成功进行动态注册，如图
注意勾选SSL
到这一步才能说明签名是完全正确的。
2-2-3 一型一密免预注册
在一型一密预注册的代码基础上进行修改
① 注释掉MQTTAUTH 、REGISTER宏，留下REGNWL
② 增加ProductSecret和Radom的宏定义，以及mqttClientId，自定义一个DeviceName。
#ifdef REGNWL
/*一型一密免预注册,这里用老版公共实例测试，如果是企业实例或者新版公共实例，需要加一个instanceId参数*/ #define EXAMPLE_PRODUCT_SECRET "oa7oO**马赛克**aHT6OS"
#define EXAMPLE_DEVICE_NAME "IoTDeviceDynamicDemo2"
#define RANDOM_VALUE "123456789"
#define MQTT_CLINETID_KV "|securemode=-2,authType=regnwl,random=123456789,signmethod=hmacsha256|"
#endif
其中，MQTT_CLINETID_KV ，即构造mqttClientId参数
由clientid+ MQTT_CLINETID_KV组成
修改MQTT_CLINETID_KV，
timestamp要和TIMESTAMP_VALUE对应
signmethod 固定写死hmacsha256，目前只实现了这个算法。
③ 构造mqttUsername
（无需修改）
固定DeviceName&ProductKey的格式
④ 按字典升序组装content
在一型一密预注册的代码基础上，（无需修改），注意前边的宏定义REGNWL
注意：一型一密认证的content不需要clientid和timestamp这两个参数，另外加了一个random参数
content:deviceNameIoTDeviceDynamicDemo2productKeya16hDZJpRClrandom123456789
⑤ 使用产品密钥（ProductSecret）对字典升序后的content进行签名，构造mqttPassword参数
（不需修改），注意前边的宏定义REGISTER
调用utils_hmac_sha256接口，进行hamcsha256运算，目前只实现了这个算法。
⑥ 编译&运行，验证结果
输入编译&运行指令：
gcc aiot_mqtt_sign.c -o test3
./test3
另一边，用工具计算出的结果：
对比一下工具计算出来的结果和mqttPassword，两者是完全匹配的。（这一步还不能完全说明签名是正确的，只能说代码逻辑没有问题，但是如果content不对，最终的签名和阿里云还是不匹配的。）
然后使用这三个参数，mqttClientId，mqttUsername，mqttPaassword验证是否可以通过阿里云物联网平台成功进行免预注册：
mqttClientId: qwert|securemode=-2,authType=regnwl,random=123456789,signmethod=hmacsha256|
mqttUsername: IoTDeviceDynamicDemo2&a16hDZJpRCl
mqttPassword: 59ABF3B1E0C6FF841705393****马赛克****6F0CD1E6F578193D126ABB42
MQTT.FX用这几个参数成功进行免预注册，如图
注意勾选SSL
而且控制台上可以看到通过免预注册的成功添加的设备
到这一步才能说明签名是完全正确的。
