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聊聊Mbedtls 基础及其应用

来源:51CTO 作者: 更新时间:2020/12/22 9:55:07

摘要:互联网是开放环境,通信双方都是未知身份,为通信双方的有效信息不被第三方窃听、篡改或者被冒充身份进行通信,需要为信息加上保护措施。

1、引言

1.1 为什么要加密

互联网是开放环境,通信双方都是未知身份,为通信双方的有效信息不被第三方窃听、篡改或者被冒充身份进行通信,需要为信息加上保护措施。也就是对所有信息都进行加密,避免被第三方窃听;采用校验机制,可以识别出信息是否被篡改,配备身份认证防止被冒充身份。互联网的通信安全,就是建立在SSL/TLS协议之上。

1.2 SSL/TLS协议的历史

1996年,在前面的基础上,SSL 3.0版问世并得到大规模应用;

1999年,互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司,发布了SSL的升级版TLS 1.0版,也称为SSL 3.1;SSL和TLS指的是同一套加密协议,只是不同时期的名字差异。

2006年和2008年,TLS进行了两次升级,分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。

一般推荐使用TLS 1.2,主流的浏览器都支持。

2、SSL/TLS演化

熟悉一套技术的演进步骤,比直接看最新版本,更容量理解。

2.1 明文时代

小帅向小美发送信息,直接以明文形式发送。

缺点显而易见,第三方小黑很容易就窃取到信息,也可以进行篡改后发给小美,而且小美收到后并不知情,以为是小帅发来的。

2.2 对称加密时代

小帅和小美保存一份相同的秘钥,小帅发出的信息先经过加密,小美收到后使用同样的密码进行解密。这种加密和解密使用同一个密钥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,但是每次变更秘钥需要事先协商,如果协商出问题,小帅告知小美新秘钥时,秘钥被小黑截取,那后续的密文对小黑来说,他也可以解密成明文。也可以篡改明文信息后,再使用同样的秘钥加密后发给小美。

2.3 非对称加密时代

既然进行秘钥交换存在风险,小帅和小美采用非对称加密算法。双方各自保存私钥、公钥,两者配对,私钥自己保存,公钥由私钥运算生成发给对方,不能由公钥反推算出私钥;但是使用公钥加密的密文,却可以使用私钥解密;使用私钥签名,使用公钥验证;这种加密和解密使用不同的密钥的算法成为非对称加密算法。

通信前,双发先将自己的公钥发给对方,私钥保密;小帅先使用小美提供的公钥加密数据,同时也使用自己的私钥进行签名标记,一起打包后发给小美,小美使用自己的私钥进行解密,再使用小帅的公钥进行验证,确认收到的信息是否来自小帅。

这种形式的加密通信,协商传输的是公钥,即使被小黑截取,他也不能解密后续的信息,因为解密得使用私钥。

但是百密一疏,如果小黑子在最初交互公钥时,截取公钥,把小帅发给小美的公钥截取,把自己的假公钥发给小美;截取小美发出的数据,小黑用自己的私钥解密,然后再使用自己的私钥加密后发给小帅。

整了这么复杂的一套加密协议,结果还是存在隐患。

2.4 公证时代

问题就出在公钥交换,小美收到一份公钥,如何证明这公钥确实是小帅发出的?譬如买房,只有房管局确认盖章导入系统的房产证,才是真的房产证,才能放心进行交易。通过CA(Certificate Authority)证书颁发机构来保证公钥的真实性,为公钥的真实性进行担保公证。

CA也是基于非对称加密算法,小帅先先把自己的公钥交给CA,CA用自己的私钥加密这些数据,加密完的数据称为小帅的数字证书,先前小帅发给小美的公钥,改为发送CA加密之后的数字证书。小美收到以后,通过CA发布的CA证书(包含了CA的公钥),来解密小帅的数字证书,从而获得小帅的公钥。

问题是小美怎么确保CA证书不是小黑伪造的?CA证书是提前预置在浏览器或操作系统,或者嵌入式设备内,不需要联网获取,自然也不存在劫持篡改的问题。

虽然小黑还是可以拦截带公钥的数字签名证书,可以用CA公钥解密看到内容;但是他没CA的秘钥,无法伪造出正确的数字签名证书,也就是小帅的真实公钥小黑可见不可改,改了小美会发现异常,但只有公钥并没什么价值。

2.5 TLS协议时代

公证时代的解决方案就是SSL/TLS协议加密通信基础。因为使用非对称加密算法比对称加密算法要复杂,消耗运算资源,为考虑效率,非对称加密只会用来传递一条信息,即对称加密的密钥。对称加密的密钥确定,后续有效信息使用对称加密算法进行网络传输。既保证了网络通信的安全性,又不影响效率。

SSL/TLS协议的基本过程:

1、通过CA体系交换公钥

2、使用非对称加密算法,交换用于对称加密的密钥

3、有效数据使用对称加密算法,进行密文传输

前两步又称为"握手阶段"(handshake),是SSL/TLS加密通信的基础。

2.6 TLS的应用

在SSL/TLS出现之前,很多应用层协议(http、ftp、smtp等)都存在着网络安全问题。最常见的http协议,在传输过程中使用的是明文信息,传输报文一旦被截获便会泄露传输内容;传输过程中报文如果被篡改,对方无法轻易发现;无法保证消息交换的对端身份的可靠性。为了解决此类安全问题,在应用层和传输层之间加入了SSL/TLS协议,升级为https。SSL/TLS目前已经广泛用于数据安全协议。关于SSL/TLS有很多开源软件包,如openSSL,mbedtls等。openSSL功能更强大,mbedtls小巧更适合嵌入式设备。

3、 mbedtls

随着物联网的发展,设备节点的安全问题也越来越重要,相比互联网的openSSL,物联网的嵌入式设备适合小巧灵活的MbedTLS,曾用名PolarSSL,可以根据需求进行配置,降低对硬件资源的消耗。mbedtls内置了非常多的加密解密,散列算法源码,即使不使用tls加密,也从里面挖掘各种算法,诸如AES/RSA/MD5等。但是openSSL功能更强大,

mbedtls是一款采用Apache 2.0许可证协议开源软件加密库,使用标准C语言编写;独立的模块设计,降低模块之间的耦合度。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download,在https://github.com/ARMmbed/mbedtls[2]下载源码。

Git下载界面有说明编译方式

  • Compiling
  • There are currently three active build systems used within Mbed TLS releases:
  • GNU Make
  • CMake
  • Microsoft Visual Studio (Microsoft Visual Studio 2013 or later)

目前个人接触的芯片SDK内置mbedtls有v2.4.0,v2.4.2和v2.14.1三种,将git版本切到v2.14.1,最后提交是2018年。前期先在电脑模拟测试,选择Visual Studio 2013。

3.2 软件结构

mbedtls源码结构如下图

mbedtls\include\mbedtls下面,可以version.h查看版本信息,重点是config.h配置,mbedtls是一套加密集合,实际项目使用中仅需选择少部分即可,配置功能宏裁剪代码,简化运算,毕竟mbedtls跑一遍,一般的arm单片机不一定扛得住。

programs\ssl下是参考范例,TLS的客户端和服务端范例,以及UDP版本的DTLS。嵌入式设备以客户端应用居多,主要参考ssl_client2.c里面很多配置参数可选,也可以针对应用替换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以及私钥。一般情况下命名后缀如下:

.crt CA证书 .pem 公钥,经CA加密后的公钥,也称为数字证书 .key 私钥 有时crt和pem混用,其本质都是CA公钥加密后的文件

如果没有服务器联调,也可以使用自身的ssl_server2.c做服务器。

3.3 demo流程分析

ssl_client2.c范例都在main函数,其大体流程如下:

  • 1、先加载各种证书、秘钥,配置opt结构体成员初始化,如TLS版本,加密套件类型等
  • 2、然后开始连接服务器 mbedtls_net_connect
  • 3、初始化tls参数 mbedtls_ssl_config_defaults,设置网络收发回调函数等
  • 4、SSL/TLS握手流程,过程比较复杂,简化就是通信双方校验对方身份,获取对方的公钥,确认加密方式,后续数据进行加密或解密做准备 mbedtls_ssl_handshake
  • 5、校验服务端返回的证书 mbedtls_ssl_get_verify_result
  • 6、如果前面流程顺畅,就可以使用mbedtls_ssl_write,mbedtls_ssl_read收发数据了
  • 7、测试结束后的清理工作
  • 8、与标准socket编程对比,接口存在一定的对应关系:

4、 mbedtls移植

先在电脑端模拟测试,确定参数,简化范例里的赋值,因为实际项目参数不会经常变更,优化代码,尤其是秘钥加载,嵌入式都是以数组保存文件内容,而不会使用文件形式加载。另外结合加密等级,确定加密套件类型。

模拟测试正常后,再移植到ARM平台,主要改动涉及网络连接、内存管理和定时器三个方面。

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操作都是阻塞模式;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:

  1. void mbedtls_net_init( mbedtls_net_context *ctx );
  2. int mbedtls_net_connect( mbedtls_net_context *ctx, const char *host, const char *port, int proto );
  3. int mbedtls_net_recv( void *ctx, unsigned char *buf, size_t len );
  4. int mbedtls_net_recv_timeout( void *ctx, unsigned char *buf, size_t len, uint32_t timeout );
  5. int mbedtls_net_send( void *ctx, const unsigned char *buf, size_t len );
  6. void mbedtls_net_free( mbedtls_net_context *ctx );

若需要DUP版本的DTLS,还需要实现该文件下另外几个接口,具体流程参考dtls_client.c。

自定义实现的网络收发接口,需要注册mbedtls_ssl_set_bio告知底层。

  1. mbedtls_ssl_set_bio(&ssl, &server_fd,
  2. mbedtls_custom_send,//改写后的mbedtls_net_send,为底层提供发送接口
  3. mbedtls_custom_recv,//为底层提供接收接口
  4. mbedtls_custom_recv_timeout)

4.2 内存管理

自定义实现类型如下内存的申请和释放接口:

  1. void* calloc(unsigned int num,unsigned int size
  2. void free(void * ptr)

实现后将函数注册给底层

  1. mbedtls_platform_set_calloc_free(custom_calloc, custom_free)

4.3 定时器

对DTLS定时器接口,并注册到底层。

  1. #if defined (__MBEDTLS_DTLS__)
  2. //Set delays to watch
  3. void platform_timing_set_delay(void *data, uint32_t int_ms, uint32_t fin_ms)
  4. {
  5. platform_timing_delay_context *ctx = (platform_timing_delay_context *) data;
  6. ctx->int_ms = int_ms;
  7. ctx->fin_ms = fin_ms;
  8. if(fin_ms != 0)
  9. {
  10. ctx->snapshot = custom_get_systicks();
  11. }
  12. }
  13. //Get number of delays expired
  14. int platform_timing_get_delay(void *data)
  15. {
  16. platform_timing_delay_context *ctx = (platform_timing_delay_context *) data;
  17. unsigned long elapsed_ms;
  18. if(ctx->fin_ms == 0)
  19. {
  20. return(-1);
  21. }
  22. elapsed_ms = custom_ticks_to_milli_secs(custom_get_systicks() - ctx->snapshot); //转换成毫秒
  23. if(elapsed_ms >= ctx->fin_ms)
  24. {
  25. return(2);
  26. }
  27. if(elapsed_ms >= ctx->int_ms)
  28. {
  29. return(1);
  30. }
  31. return 0;
  32. }
  33. #endif /* __MBEDTLS_DTLS__ */
  34. //注册到底层
  35. mbedtls_ssl_set_timer_cb( &ssl, &platform_timer, platform_timing_set_delay, platform_timing_get_delay );

4.4 网络阻塞与非阻塞机制

mbedtls在电脑模拟测试时其网络连接非常顺畅,而且测试只是跑这一项功能,即使采用阻塞模式也不会有其它问题。实际嵌入式设备在联网时,肯定还有其他任务需要执行。

如果设备支持操作系统,可以为mbedtls单独分配一个线程或者任务,推荐使用阻塞机制实现接口,而且容易调试,尤其是https下载这种场景。但是特殊情况下不支持阻塞的,在改写网络接口时,需要特殊处理。

例如范例mbedtls_net_connect进行域名解析、连接服务器,嵌入式设备的无线网络在这个步骤,基本会返回异常表示阻塞等待中,要解决这个问题,需要将后续的握手流程拆分执行。原本联网后执行mbedtls_ssl_handshake,在while里面等待握手流程MBEDTLS_SSL_HANDSHAKE_OVER结束或者错误,改为每次收到读消息的事件,执行一次或多次mbedtls_ssl_handshake_step。(这个并没亲自验证)

mbedtls_ssl_set_bio注册的读写接口支持设为非阻塞,mbedtls_ssl_write和mbedtls_ssl_read对应用层接口,在底层socket上报read_ready之后,判断当前握手已经完成,再执行mbedtls_ssl_read。

4.5 证书与密钥

测试可以使用mbedtls范例自带的证书和公钥、私钥,但实际项目需要自己根据服务器域名生成ca证书,以及双方的公钥、私钥。在源码programs\pkey下有秘钥生成的代码,作为客户端,需要验证服务器提供的公钥证书,因此本地还要CA证书,类似首次登录12306提示要下载的证书,再加上客户端自身的公钥和私钥,一共3个文件。gen_key.c生成keyfile.key私钥,默认秘钥长度是4096,虽然1024理论上有风险,但是运算更快;后面再使用openSSL 命令行生成公钥。

  1. OpenSSL> rsa -in private.key -pubout -out public.key

openSSL下载地址 https://www.openssl.org/,安装后提示使用收费,实际使用未见异常。秘钥也可使用openSSL生成

  1. OpenSSL>genrsa -out private.key 2048

如果使用未知,使用help查看说明。至于CA证书,需要平台侧生成再提供给设备端。

4.6 加密套件与配置裁剪

确定合适的加密套件,未使用的算法就可以屏蔽;在电脑运行瞬间完成,在实际arm硬件可能需要较长时间,比如使用RSA在握手阶段可能需要较长时间,可以选择ECDSA或者减小秘钥长度。

5、 小节

目前的物联网对数据安全不是很关注,使用自定义协议近似明文的方式交互,或者使用单一加密方式,未来智能家居、涉及财物计费的、特殊行业的设备节点,可能会逐渐使用加密通信,而mbedtls则是较好的选择之一。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,可根据需求提取合适的源码集成。

  责任编辑:张华

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