使用Paho-MQTT集成ID²,实现数据安全上云

简介: IoT设备身份认证(IoT Device ID,ID²)是物联网设备接入到系统时的设备身份标识和设备认证系统,通过可信计算和密码技术为物联网系统提供设备认证、传输通道加密、业务数据加密等端到端的可信接入能力。MQTT是一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议,专门针对低带宽和不稳定网络环境的物联网应用而设计,可以用极少的代码为联网设备提供实时可靠的消息服务。Eclipse Paho提供许多不同版本的MQTT Client以供不同平台使用,其中Paho Embedded-C是为嵌入式平台提供的MQTT开源实现。

本文介绍如何基于Paho-MQTT集成IoT设备认证(ID²),通过身份认证、数据加密等功能,实现物联网数据安全上云。


1. 基于阿里云物联网平台使用:

本节说明在物联网设备(Linux)中通过Paho-MQTT集成IoT设备身份认证设备端SDK并接入阿里云物联网平台,通过身份认证、通道加密等功能,实现物联网数据安全上云。


1.1 创建产品:

只有认证方式为ID²的产品才可以使用IoT设备身份认证的服务,接下来我们需要创建一个新的产品并指定认证方式为ID²。

前提条件:


  1. 登录产品控制台,在左侧导航栏,选择常规>集成与部署 > IoT设备身份认证,单击组合使用(与阿里云物联网平台)卡片的开始接入按钮。


  1. 配置产品页面创建新产品&分配ID²授权,然后单击下一步按钮。
  • 请选择新增产品,并输入产品名称。
  • ID²有效期:免费试用、或者付费授权
  • 分配ID²授权数量:请输入ID²授权数量。


1.2 选择设备认证算法:

IoT设备身份认证支持国际算法(AES-128、AES-192、AES-256)和国密算法(SM1-128、SM2-256、SM4-128),能满足企业不同安全等级的需求。

说明:

国密算法SM1需要配合ID²安全芯片使用,SM2用于业务数据完整性校验和加密。


ID²新增产品中默认选择的设备认证算法是AES-128;如需选择其他设备认证算法,请按如下步骤操作:

  • 产品控制台,选择常规>集成与部署 > IoT设备身份认证,单击独立使用(三方物联网平台)卡片的开始接入按钮。
  • 配置产品页面获取配置信息,然后单击下一步按钮。
  • 选择产品:请选择现有产品,在下拉框中勾选产品名称。
  • 获取配置信息页面,单击设备认证算法后的更换按钮,查看支持的密钥类型(如SM4-128),并确认。

  • 产品详情页面,记录下实例ID、ProductKey、ProductSecret
  • 实例ID:阿里云物联网平台的实例标识。企业实例ID是字符串,公共实例ID是符号“-”。
  • ProductKey:设备所属产品的ProductKey。
  • ProductSecret:由IoT设备身份认证颁发的产品密钥,与 ProductKey 成对出现。


1.3 集成设备端SDK:

1.3.1 下载设备端SDK:

  1. 执行wget命令获取设备端SDK:
wget https://id2-schip-online.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/static_resources/id2_client_sdk/ID2_Client_SDK.tar
  1. 执行命令tar -xvf ID2_Client_SDK.tar完成解压,执行命令cd <解压SDK后的目录>。设备端SDK的目录说明见表格内容:

目录/文件

说明

demos

ID²设备端的示例代码:

  • lpdemo:提供通过MQTT组件使用ID²连接到阿里云物联网平台的演示示例。
    • paho:基于Paho MQTT开源组件的示例代码。

external

用于存放外部的组件:

  • mqtt - MQTT的组件
  • include

    ID²的头文件目录

    libs

    ID²的静态库

    make.rules

    编译规则文件,可配置编译工具链和编译参数

    make.settings

    编译配置文件,可配置ID²的密钥类型(如AES、SM4)

    makefile

    编译脚本

    src

    ID²的源码目录

    tests

    ID²的测试用例,包括HAL和ID²的测试。

    tools

    ID²的本地工具/脚本:

    • ls_lp_demo.sh:与阿里云物联网平台组合使用场景中的设备端演示示例。


    1.3.2 集成设备端SDK:

    1. 设备硬件及系统层集成。适配接口说明请参考ID²设备端SDK适配接口,包括:
    • OSA接口适配:实现src/osa/ls_osa.c中的接口。
    • HAL接口适配:实现src/hal/km/demo/ls_hal_km.c中的接口,通过hal_test测试用例验证(成功日志: “HAL KM Test Pass”)。
    1. 设备连接通道层集成
    • 使用默认的Paho SDK,请跳过此步骤。
    • 下载Paho Embedded-C SDK,并且拷贝其中的源码到external/mqtt/paho/paho_embedded_c目录
    git clone https://github.com/eclipse/paho.mqtt.embedded-c


    1. 设备应用层集成
    • 设备接入域名(mqtt_host)、MQTT服务器端口的配置:
    设备接入域名:${YourProductKey}.itls.cn-shanghai.aliyuncs.com,其中${YourProductKey}为IoT设备身份认证产品的ProductKey
    MQTT服务器端口:1883
    • 生成阿里云物联网平台MQTT Connect的参数:
    • MQTT客户端的标识 - ClientId:
    # 使用物联网平台的企业实例deviceId+"|securemode=8,signmethod=hmacsha1,timestamp=2524608000000,authtype=id2[,instanceId=xxx]|"
    • deviceId:{deviceName} + "&" + {productName}
    • instanceId:填写物联网平台的企业实例ID,如使用公共实例(短横线‘"-"),此字段忽略掉
    • MQTT客户端的用户名 - UserName:
    # 由设备标识和产品标识组合而成${deviceName}  +&+${productKey}
    • MQTT客户端的密码 - Password:
    # 64字节长度的全0字符串"0000000000..000"
    • 适配Paho的网络抽象接口:
    • 更新Network的结构体,且重新实现Network的接口,参考实现如下:
    #include "hal_itls.h"typedefstructNetwork {
    char*product_key;
    char*product_secret;
    uintptr_thandle;
    intmy_socket;
    int (*mqttread) (structNetwork*, unsignedchar*, int, int);
    int (*mqttwrite) (structNetwork*, unsignedchar*, int, int);
    } Network;
    intmqtt_itls_read(Network*n, unsignedchar*buffer, intlen, inttimeout_ms) {
    returnhal_itls_read(n->handle, buffer, len, timeout_ms);
    }
    intmqtt_itls_write(Network*n, unsignedchar*buffer, intlen, inttimeout_ms)
    {
    returnhal_itls_write(n->handle, buffer, len, timeout_ms);
    }
    voidNetworkSetConfig(Network*n, char*product_key, char*product_secret) {
    n->product_key=product_key;
    n->product_secret=product_secret;
    }
    voidNetworkInit(Network*n) {
    n->handle=0;
    n->mqttread=mqtt_itls_read;
    n->mqttwrite=mqtt_itls_write;
    }
    intNetworkConnect(Network*n, char*addr, intport) {
    n->handle=hal_itls_establish(addr, port, n->product_key, n->product_secret);
    if (n->handle==0) {
    return-1;
        }
    return0;
    }
    voidNetworkDisconnect(Network*n) {
    hal_itls_destroy(n->handle);
    }


    1. 设备端SDK的编译。
    • ID² SDK的根目录,执行命令vi ./make.settings打开文件,修改如下参数:
    • 配置CONFIG_LS_ID2_KEY_TYPE选择同ID²产品选择的认证算法保持相同
    • 配置CONFIG_LS_ID2_MQTT_NAME,选择使用Paho

    • 执行命令vi demos/lpdemo/paho/mqtt_id2_demo.c打开文件,配置mqtt_id2_demo.c示例中的参数:
    • 如选择使用Link SDK时,执行命令vi demos/mqtt/lk/mqtt_id2_demo.c打开文件:
    • ProductKey:ID²产品的ProductKey。
    • ProductSecret:ID²产品的ProductSecret。
    • DeviceName:自定义,同一个产品下唯一。
    • LP_Instance_ID:填写在ID²产品详情中获得的企业实例ID字符串;如果是公共实例,填写NULL

    • 执行命令“make clean & make plat=xxx”进行编译
    • Linux x86_64默认使用系统中的GCC作为编译工具,且默认指定“plat=x86_64”参数
    • 如要编译其他架构,如armhf,在make.rules中配置编译工具,运行编译命令“make clean & make plat=armhf”


    1.4 安全接入:

    在完成设备端集成的基础上,运行设备应用,  或者演示示例接入阿里云物联网平台。

    1. 使用演示示例:
    • 在Linux x86_64设备上下载ID² SDK,执行命令vi ./make.settings打开文件。
    • 配置CONFIG_LS_ID2_KEY_TYPE选择同ID²产品选择的认证算法保持相同
    • 修改CONFIG_LS_ID2_MQTT_NAME的值为Paho

    • 执行命令make clean & make进行编译。

    • 编辑vi tools/ls_lp_demo.sh填写如下参数:
    • ProductKey:ID²产品的ProductKey。
    • ProductSecret:ID²产品的ProductSecret。
    • DeviceName:自定义,同一个产品下唯一。
    • InstanceId:填写在ID²产品详情中获得的企业实例ID字符串,如公共实例ID:“-”。

    • 执行命令./tools/ls_lp_demo.sh运行设备端演示示例,查看设备端打印的日志。
    • 在日志中,可以看到此设备上的ID² ID(“ 000FF...”)
    • 基于ID²进行设备和LP平台之间的双向认证(“Verify iTLS Server AuthCode OK”),并建立设备和LP平台的TLS安全传输通道(ID²-iTLS);MQTT消息开始基于TLS通道进行加密传输(“Start to use itls to encrypt message buffer”)


    1. 查看设备状态:
    • 登录产品控制台,在左侧导航栏,选择资产>设备,查看设备状态为正常,安全状态为安全。


    2. 基于自建的物联网平台使用:

    本节说明在物联网应用中集成ID²云端SDK、在物联网设备(Linux)中通过Paho-MQTT集成ID²设备端SDK,通过身份认证、业务数据加密等功能,实现物联网数据安全上云。



    2.1 创建产品:

    本章节描述了如何在IoT设备身份认证控制台创建产品并分配授权额度,包括:

    • 创建产品
    • 分配授权额度

    前提条件:


    1. 登录产品控制台,在左侧导航栏,选择常规>集成与部署 > IoT设备身份认证,单击独立使用(三方物联网平台)卡片的开始接入按钮。


    1. 配置产品页面创建新产品&分配ID²授权,然后单击下一步按钮。
    • 选择产品:请选择创建新产品,并输入产品名称。
    • ID²有效期:免费试用、或者付费授权
    • 分配ID²授权数量:请输入ID²授权数量。


    2.2 选择设备认证算法:

    IoT设备身份认证支持国际算法(AES-128、AES-192、AES-256)和国密算法(SM1-128、SM2-256、SM4-128),能满足企业不同安全等级的需求。

    说明:

    国密算法SM1需要配合ID²安全芯片使用,SM2用于业务数据完整性校验和加密。


    ID²新增产品中默认选择的设备认证算法是AES-128;如需选择其他设备认证算法,请按如下步骤操作:

    1. 查看配置信息页面选择设备认证算法SM4-128,单击提交按钮。

    1. 查看配置信息页面您需要记录下ProductKey、ProductSecret
    • ProductKey:设备所属产品的ProductKey。
    • ProductSecret:由IoT设备身份认证颁发的产品密钥,与 ProductKey 成对出现。
    1. 单击下一步按钮进入集成云端SDK页面。


    2.3 集成云端SDK:

    2.3.1 阿里云账号的AccessKey:

    • AccessKey是调用阿里云API的身份凭证,请参见获取AccessKey
    • 需要注意的是AccessKey的归属账号必须与创建产品时的账号保持一致。


    2.3.2 下载云端SDK:

    1. 执行wget命令获取云端SDK:
    wget https://id2-schip-online.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/static_resources/id2_server_sdk/ID2_Server_SDK.tar
    1. 在云端环境执行命令tar -xvf ID2_Server_SDK.tar 完成解压,执行命令cd <解压SDK后的目录>。设备端SDK的目录说明见表格内容:

    目录/文件

    说明

    demos

    ID²云端的示例代码

    lib

    ID²云端的Jar包


    2.3.3 集成云端SDK

    1. 添加Maven项目依赖,引入阿里云Java SDK公共包。
    <dependency>
        <groupId>com.aliyun</groupId>
        <artifactId>aliyun-java-sdk-core</artifactId>
        <version>4.5.6</version>
    </dependency>
    1. 导入云端SDK中的lib/aliyun-java-sdk-id2-1.1.4.jar到项目工程中,初始化云端SDK。
    public static String ACCESS_KEY = null;
    public static String ACCESS_SECRET = null;
    public static String REGION_ID = "cn-shanghai";
    public static String END_POINT = "id2." + REGION_ID + ".aliyuncs.com";
    // Load ACCESS_KEY and ACCESS_SECRET From Config File
    loadConfigProperties("xxx.conf");
    IClientProfile profile = DefaultProfile.getProfile(REGION_ID, ACCESS_KEY, ACCESS_SECRET);
    DefaultProfile.addEndpoint(REGION_ID, PRODUCT_CODE, END_POINT);
    client = new DefaultAcsClient(profile);
    1. 发起调用,ID²云端SDK为每个API封装了一个类,命名为${API名称}+"Request",如VerifyRequest,用于API的调用请求,ID²云端API列表请参考ID²云端API手册
    • ID²空发
    OtpGetId2Request request = new OtpGetId2Request();
    request.setDeviceAuthCode(authCode);
    request.setApiVersion(1.1.2);
    OtpGetId2Response response = client.getAcsResponse(request);
    • 获取ID²认证挑战字
    GetServerRandomRequest request = new GetServerRandomRequest();
    request.setId2(id2Id);
    request.setApiVersion(1.1.2);
    GetServerRandomResponse response = client.getAcsResponse(request);
    System.out.println("GetServerRadom requestId:" + response.getRequestId());
    • ID²设备认证和业务密钥加密
    VerifyAndEncryptRequest request = new VerifyAndEncryptRequest();
    request.setApiVersion(1.1.2);
    request.setProductKey(productKey);
    request.setId2(id2Id);
    request.setAuthCode(authCode);
    request.setData(keyInfo);
    VerifyAndEncryptResponse response = client.getAcsResponse(request);
    System.out.println("VerifyAndEncrypt requestId:" + response.getRequestId());
    1. 应用集成ID²云端SDK的示例代码,请参考demos/ID2SPDemo


    2.4 集成设备端SDK:

    2.4.1 下载设备端SDK:

    1. 执行wget命令获取设备端SDK:
    wget https://id2-schip-daily.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/static_resources/ID2_Client_SDK.tar
    1. 执行命令tar -xvf ID2_Client_SDK.tar完成解压,执行命令cd <解压SDK后的目录>。设备端SDK的目录说明见表格内容:

    目录/文件

    说明

    demos

    ID²设备端的示例代码:

    • spdemo:提供独立使用ID²的演示示例

    external

    用于存放外部的组件:

    include

    ID²的头文件目录

    libs

    ID²的静态库

    make.rules

    编译规则文件,可配置编译工具链和编译参数

    make.settings

    编译配置文件,可配置ID²的密钥类型(如AES、SM4)

    makefile

    编译脚本

    src

    ID²的源码目录

    tests

    ID²的测试用例,包括HAL和ID²的测试。

    tools

    ID²的本地工具/脚本:

    • ls_sp_demo.sh:独立使用场景中的设备端演示示例


    2.4.2 集成设备端SDK:

    1. 设备硬件及系统层集成,详情请参考ID²设备端SDK适配接口
    • OSA接口适配:实现src/osa/ls_osa.c中的接口。
    • HAL接口适配:实现src/hal/km/demo/ls_hal_km.c中的接口,通过hal_test测试用例验证(成功日志: “HAL KM Test Pass”)
    1. 设备应用层集成,详情请参考ID²设备端API手册
    • 设备应用首先调用ID²的初始化函数,完成设备端SDK的初始化。
    {
    intret;
    ret=id2_client_init();
    if (ret!=IROT_SUCCESS) {
    ls_osa_print("id2 client init fail, %d\n", ret);
    return-1;
         }
    }
    • 获取ID²设备端的烧录状态:
    • 如ID²已烧录(is_prov == true),退出ID²空发流程
    {
    intret=0;
    boolis_prov=false;
    ret=id2_client_get_prov_stat(&is_prov);
    if (ret!=IROT_SUCCESS) {
    ls_osa_print("id2 client get prov stat fail, %d\n", ret);
    return-1;
        } 
    }
    • 生成ID²设备端的空发认证码。
    {
    intret=0;
    uint8_tauth_code[ID2_MAX_AUTH_CODE_LEN] = {0};
    uint32_tauth_code_len=ID2_MAX_AUTH_CODE_LEN;
    ret=id2_client_get_otp_auth_code(
                  (uint8_t*)product_secret, (int)strlen(product_secret),
    auth_code, &auth_code_len);
    if (ret!=IROT_SUCCESS) {
    ls_osa_print("id2_client_get_otp_auth_code fail, %d\n", ret);
    return-1;
        }
    }
    • ID²空发的网络请求和响应。
    • authCode:ID²空发认证码的Base64编码
    • otpData:ID²云端下发的空发数据(Base64格式)
    # ID²空发请求:{commandId:xxx, authCode: xxx}
    # ID2空发响应:{commandId:xxx, otpData: xxx}
    • 存储ID²密钥到设备安全存储区。
    {
    intret=0;
    ret=id2_client_load_otp_data(otp_data, otp_len);
    if (ret!=IROT_SUCCESS) {
    ls_osa_print("id2 load otp data fail, %d\n", ret);
    return-1;
        }
    }
    • 获取设备端的ID² ID。
    {
    intret=0;
    uint8_tid2_id[ID2_ID_MAX_LEN+1] = {0};
    uint32_tid2_id_len=ID2_ID_MAX_LEN;
    ret=id2_client_get_id(id2_id, &id2_id_len);
    if (ret!=IROT_SUCCESS) {
    ls_osa_print("id2 client get id fail, %d\n", ret);
    return-1;
        }
    }
    • ID²认证挑战字的网络请求和响应。
    # ID²认证挑战字的请求:
    {commandId:xxx, Id2Id: xxx}
    # ID2认证挑战字的响应:
    {commandId:xxx, challenge: xxx}
    • 获取设备端的ID²认证码。
    {
        int ret = 0;
        uint8_t auth_code[ID2_MAX_AUTH_CODE_LEN] = {0};
        uint32_t auth_code_len = ID2_MAX_AUTH_CODE_LEN;
        ret = id2_client_get_challenge_auth_code(
                  challenge, NULL, 0, auth_code, &auth_code_len);
        if (ret != IROT_SUCCESS) {
            ls_osa_print("id2 client get challenge auth code fail, %d\n", ret);
            return -1;
        }
    }
    • 设备端认证和数据加密的网络请求和响应。
    • cipherData:ID²云端下发的加密数据
    # ID²设备认证和数据加密的请求:{commandId:xxx, productKey:xxx, Id2Id:xxx, authCode:xxx}
    # ID2设备认证和数据加密的响应:{commandId:xxx, cipherData: xxx}
    • 解密ID²云端加密下发的数据。
    {
    intret=0;
    ret=id2_client_decrypt(cipher_data, cipher_len, cipher_data, &cipher_len);
    if (ret!=IROT_SUCCESS) {
    ls_osa_print("id2 client decrypt fail\n");
    return-1;
        }
    }
    • 应用集成ID²设备SDK的示例代码,请参考demos/spdemo


    1. 设备端SDK的编译:
    • ID² SDK的根目录,执行命令vi ./make.settings打开文件, 修改CONFIG_LS_ID2_KEY_TYPE的值
    • 同ID²产品选择的认证算法保持相同

    • 执行命令“make clean & make plat=xxx”进行编译
    • Linux x86_64默认使用系统中的GCC作为编译工具,且默认指定“plat=x86_64”参数
    • 如要编译其他架构,如armhf,在make.rules中配置编译工具,运行编译命令“make clean & make plat=armhf”


    2.5 业务数据加密:

    在完成设备端集成的基础上,运行设备应用,  或者使用演示示例,进行ID²认证和加密,以及业务数据加密的调试。

    1. 使用演示示例:
    • 部署EMQX物联网平台,详情参见EMQX安装和部署
    • 本节描述在Ubuntu 22.04上通过Docker部署EMQX物联网平台的示例
    • 安装和启动Docker工具:
    # Install Dockercurl-fsSLget.docker.com -o get-docker.sh
    sudosh get-docker.sh --mirror Aliyun
    # Start Dockersudo systemctl enable docker
    sudo systemctl start docker
    # Get Docker Versiondocker -v
    • 使用Docker安装EMQX物联网平台:
    # Get emqx-5.1.3 docker imagedocker pull emqx/emqx:5.1.3
    # Start docker emqx instancedocker run -d--name emqx -p1883:1883 emqx/emqx:5.1.3
    # Get docker instance infodocker ps
    • 部署云端演示示例,在ID²云端SDK根目录,配置vi demos/ID2SPMessage/Id2SpDemo.conf文件中的AccessKey和AccessSecret信息。

    • 执行命令cd demos/ID2SPMessage,执行命令java -jar Id2SpDemo.jar启动云端演示示例。

    • 在ID²设备端SDK目录,执行命令vi tools/ls_sp_demo.sh填写如下参数:
    • HostAddr:云端演示示例的IP地址,localhost代表本机网络。
    • ProductKey:ID²产品的ProductKey。
    • ProductSecret:ID²产品的ProductSecret。
    • PublishData:设备端应用上报的业务数据,建议不超过1024字节。

    • 执行命令./tools/ls_sp_demo.sh运行设备端演示示例,查看设备端打印的日志。
    • 在设备端日志中,可以看到完成ID²的设备认证,以及通过ID²加密下发SP Key Info;设备端通过ID²设备端接口解密后,获得明文的Key ID和Data
    • 在设备端日志中,可看到由SPKey加密下发的业务数据(“SP Server Subscribed Cipher Data”);通过在调用SPKey解密后,可得到明文的下行业务数据(“SP_Server_Hello”)

    • 在云端查看打印的日志。
    • 可看到由SPKey加密的业务数据("Device Published Cipher Data")
    • 使用SPKey解密后,可得到正确的上行业务数据(“SP_Client_Hello”)


    1. 查看设备状态:
    • 登录产品控制台,在左侧导航栏,选择资产>设备,查看设备状态为正常,安全状态为安全。


    3. 延申阅读:


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