基于SSL/TLS双向安全连接设备CA证书认证

小伙伴儿们，如果觉得文章干货满满，欢迎加入公众号【编程识堂】，更多干货等你们来哦！

背景消息

• 设备证书是由CA根证书签发给客户端设备使用的数字证书，用于客户端和服务端连接时，服务端对客户端进行安全认证。认证通过后服务端和客户端可基于证书内的加密密钥进行安全通信，若认证不通过则服务端拒绝客户端接入。
• 使用设备证书认证时，必须保证签发该设备证书的CA证书已在MQTT服务端中注册。
• 客户端设备使用设备证书进行接入认证时，服务端会根据已注册的CA证书验证设备证书是否正确，若CA证书和设备证书匹配成功，则客户端认证通过，且系统会将该设备证书自动注册到服务端中。

双向SSL/TLS安全连接

作为基于现代密码学公钥算法的安全协议，TLS/SSL 能在计算机通讯网络上保证传输安全，很多MQTT Broker 内置对 TLS/SSL 的支持，包括支持单/双向认证、X.509 证书、负载均衡 SSL 等多种安全认证。

SSL/TLS 安全优势

• 强认证。 用 TLS 建立连接的时候，通讯双方可以互相检查对方的身份。在实践中，很常见的一种身份检查方式是检查对方持有的 X.509 数字证书。这样的数字证书通常是由一个受信机构颁发的，不可伪造。
• **保证机密性。**TLS 通讯的每次会话都会由会话密钥加密，会话密钥由通讯双方协商产生。任何第三方都无法知晓通讯内容。即使一次会话的密钥泄露，并不影响其他会话的安全性。
• 完整性。 加密通讯中的数据很难被篡改而不被发现。

SSL/TLS 协议

TLS/SSL 协议下的通讯过程分为两部分，第一部分是握手协议。握手协议的目的是鉴别对方身份并建立一个安全的通讯通道。握手完成之后双方会协商出接下来使用的密码套件和会话密钥；第二部分是 record 协议，record 和其他数据传输协议非常类似，会携带内容类型，版本，长度和荷载等信息，不同的是它所携带的信息是加密了的。
下面的图片描述了 TLS/SSL 握手协议的过程，从客户端的 “hello” 一直到服务器的 “finished” 完成握手。有兴趣的同学可以找更详细的资料看。

**SSL/TLS 证书准备 **

  在双向认证中，一般都使用自签名证书的方式来生成服务端和客户端证书，因此本文就以自签名证书为例。

通常来说，我们需要数字证书来保证 TLS 通讯的强认证。数字证书的使用本身是一个三方协议，除了通讯双方，还有一个颁发证书的受信第三方，有时候这个受信第三方就是一个 CA。和 CA 的通讯，一般是以预先发行证书的方式进行的。也就是在开始 TLS 通讯的时候，我们需要至少有 2 个证书，一个 CA 的，一个 MQTT服务端 的， MQTT服务端的证书由 CA 颁发，并用 CA 的证书验证。
在这里，我们假设您的系统已经安装了 OpenSSL。使用 OpenSSL 附带的工具集就可以生成我们需要的证书了。

• 已安装OpenSSL v1.1.1i或以上版本。

使用OpenSSL创建生成CA证书、服务器、客户端证书及密钥

1. 生成CA证书
2. 生成服务器证书
3. 生成客户端证书

• 对于SSL单向认证：服务器需要CA证书、server证书、server私钥，客户端需要CA证。
• 对于SSL双向认证：服务器需要CA证书、server证书、server私钥，客户端需要CA证书，client证书、client私钥。

各类证书与密钥文件后缀的解释

总得来说这些文件都与X.509证书和密钥文件有关，从文件编码上分，只有两大类：
PEM格式：使用Base64 ASCII进行编码的纯文本格式
DER格式：二机制格式
而CRT, CER，KEY这几种证书和密钥文件，它们都有自己的schema，在存储为物理文件时，既可以是PEM格式，也可以DER格式。
CER：一般用于windows的证书文件格式
CRT：一般用于Linux的证书，包含公钥和主体信息
KEY：一般用于密钥，特别是私钥, 与证书一一配对
打个比方：CER，CRT，KEY相当于论文，说明书等，有规定好的行文格式与规范，而PEM和DER相当于txt格式还是word格式。
CSR: Certificate Signing Request，即证书签名请求文件。证书申请者在生成私钥的同时也生成证书请求文件。把CSR文件提交给证书颁发机构后，证书颁发机构使用其根证书私钥签名就生成了证书公钥文件，也就是颁发给用户的证书。

证书生成

1.生成CA证书

1.创建CA证书私钥

openssl genrsa -out ca.key 2048

2.请求证书 证数各参数含义如下

• C-----国家（Country Name）
• ST----省份（State or Province Name）
• L----城市（Locality Name）
• O----公司（Organization Name）
• OU----部门（Organizational Unit Name）
• CN----产品名（Common Name）
• emailAddress----邮箱（Email Address）

openssl req -new -sha256 -key ca.key -out ca.csr -subj "/C=CN/ST=SZ/L=SZ/O=C.X.L/OU=C.X.L/CN=CA/emailAddress=123456@test.com"

3.自签署证书

openssl x509 -req -days 36500 -sha256 -extensions v3_ca -signkey ca.key -in ca.csr -out ca.crt

2.生成服务端证书

1.创建服务器私钥

openssl genrsa -out server.key 2048

新建 openssl.cnf 文件，

• req_distinguished_name ：根据情况进行修改，
• alt_names：BROKER_ADDRESS 修改为 EMQ X 服务器实际的 IP 或 DNS 地址，例如：IP.1 = 127.0.0.1，或 DNS.1 = broker.xxx.com
• 注意：IP 和 DNS 二者保留其一即可，如果已购买域名，只需保留 DNS 并修改为你所使用的域名地址。

[req]
default_bits       = 2048
distinguished_name = req_distinguished_name
req_extensions     = req_ext
x509_extensions    = v3_req
prompt             = no

[req_distinguished_name]
countryName             = CN
stateOrProvinceName     = SZ
organizationName        = C.X.L
organizationalUnitName  = C.X.L
commonName          = service

[req_ext]
subjectAltName = @alt_names

[v3_req]
subjectAltName = @alt_names

[alt_names]
IP.1 = 127.0.0.1
IP.2 = 192.168.5.249

2.请求证书

openssl req -new -sha256 -key server.key -config openssl.cnf -out server.csr

3.使用CA证书签署服务器证书

openssl x509 -req -in server.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out server.crt -days 3650 -sha256 -extensions v3_req -extfile openssl.cnf

4.验证服务端证书

openssl verify -CAfile ca.crt server.crt

5查看服务端证书

openssl x509 -noout -text -in server.crt

6.Netty需要支持PKCS8格式读取私钥

openssl pkcs8 -topk8 -nocrypt -in server.key -out pkcs8_key.pem

**注：**错误日志也很明确的打印了：at sun.security.pkcs.PKCS8Key.decode(PKCS8Key.java:351)，采用PKCS8无法解析证书。这是因为部分MQTT broker使用的是netty，netty默认使用PKCS8格式对证书进行解析，然而我们使用openssl生成的服务端server.key是PKCS1格式的，所以MQTT broker采用PKCS8无法对证书进行解析。

问题处理

对证书进行格式转行，将PKCS1格式转换成PKCS8即可。
证书格式区别：

1. PKCS1的文件头格式 -----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
2. PKCS8的文件头格式 -----BEGIN PRIVATE KEY-----

生成客户端证书

1.生成客户端私钥

openssl genrsa -out client.key 2048

2.请求证书

openssl req -new -sha256 -key client.key -out client.csr -subj "/C=CN/ST=SZ/L=SZ/O=C.X.L/OU=C.X.L/CN=CLIENT/emailAddress=123456@test.com"

3.使用CA证书签署客户端证书

openssl x509 -req -days 36500 -sha256 -extensions v3_req -CA ca.cer -CAkey ca.key -CAserial ca.srl -CAcreateserial -in client.csr -out client.crt

4.验证服务端证书

openssl verify -CAfile ca.crt client.crt

5.查看服务端证书

openssl x509 -noout -text -in client.crt

证书转换

CRT转为PEM

#.key 转换成 .pem：
openssl rsa -in server.key -out server-key.pem
#.crt 转换成 .pem：
openssl x509 -in server.crt -out server.pem -outform PEM

既然PEM与DER只是编码格式上的不同，那么不管是证书还是密钥，都可以随意转换为想要的格式：

PEM转DER

openssl x509 -outform der -in server.pem -out server.der

DER专PEM

openssl x509 -inform der -in server.der -out server.crt

注：也可以直接生成PEM格式的证书，生成方式和CRT一样
区别：

// 生成CA证书
openssl req -x509 -new -nodes -key ca.key -sha256 -days 3650 -out ca.pem
// 生成服务端证书
openssl x509 -req -in server.csr -CA ca.pem -CAkey ca.key -CAcreateserial -out server.pem -days 3650 -sha256 -extensions v3_req -extfile openssl.cnf
// 生成客户端证书
openssl x509 -req -days 3650 -in client.csr -CA ca.pem -CAkey ca.key -CAcreateserial -out client.pem

SSL/TLS 双向连接的启用及验证

1.EMQX

在 EMQ X 中 mqtt:ssl 的默认监听端口为 8883。
将前文中通过 OpenSSL 工具生成的 server.crt 、server.key 及 ca.crt 文件拷贝到 EMQ X 的 etc/certs/ 目录下，并参考如下配置修改 emqx.conf：

## listener.ssl.$name is the IP address and port that the MQTT/SSL
## Value: IP:Port | Port
listener.ssl.external = 8883

## Path to the file containing the user's private PEM-encoded key.
## Value: File
listener.ssl.external.keyfile = etc/certs/server.key

## Path to a file containing the user certificate.
## Value: File
listener.ssl.external.certfile = etc/certs/emqx.pem

## Path to the file containing PEM-encoded CA certificates. The CA certificates
## Value: File
listener.ssl.external.cacertfile = etc/certs/ca.pem

## A server only does x509-path validation in mode verify_peer,
## as it then sends a certificate request to the client (this
## message is not sent if the verify option is verify_none).
##
## Value: verify_peer | verify_none
listener.ssl.external.verify = verify_peer

2.MQTT 连接测试

参照下图在 MQTT X 中创建 MQTT 客户端（Host 输入框里的 127.0.0.1 需替换为实际的 EMQ X 服务器 IP）

此时 Certificate 一栏需要选择 文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-806951.html

到了这里，关于基于SSL/TLS双向安全连接设备CA证书认证的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！