站在Android开发者的角度认识MQTT - TLS 认证篇

Taonce
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MQTT 是用于物联网 (IoT) 的 OASIS 标准消息传递协议。它被设计为一种极其轻量级的发布/订阅消息传输，非常适合以较小的代码占用空间和最小的网络带宽连接远程设备。如今，MQTT 已广泛应用于各个行业，例如汽车、制造、电信、石油和天然气等。

在上一篇站在Android开发者的角度认识MQTT - 使用篇已经介绍过Android开发如何去使用MQTT基本操作，本篇文章将从TSL认证方面介绍在连接MQTT时进行TSL单向和双向认证。

文章将从TLS 认证的基本概念、单项认证和双向认证三个部分介绍。

基本概念

TLS（Transport Layer Security）名为传输层安全性，它的目的是加强互联网通信的私密性和安全性。TLS 是在SSL的基础上演变而来，目前TLS的最新版本为1.3，1.0版本已经被废弃，我们常用的接口HTTPS就是在HTTP的基础上通过TLS进行加密。

了解了TLS的基本概念之后，我们停下想一想为啥要进行TLS认证呢？使用MQTT时，直接使用用户名和密码不是已经可以检验客户端的身份了么？

  • 如果是直接通过用户名和密码进行连接的话，通信过程中消息是不经过加密的，直接以明文的形式进行传输，而TLS认证的方式连接它的消息是经过加密的，这样消息是受保护的不容易被窃听和篡改；
  • 用户名和密码一般都是固定不变，这样很容易被破解然后直接可以连接MQTT，而TLS可以做到动态下发证书和KEY，保证每一个客户端都拥有不一样的证书和KEY，极大的提高了安全性。

接着我们再来看看TLS的单向认证和双向认证的区别：

  • 单向认证：只有客户端会根据根证书来验证服务端的证书，而服务端不会验证客户端的真实性；
  • 双向认证：在客户端验证服务端之后，服务端也需要验证客户端的证书是否正确。

在验证过程中有几个重要的证书需要了解下，根证书部分一般为root.crt和root.key，服务端证书部分一般为server.crt和server.key，对于我们客户端来说也有client.crt和client.key。在单向认证过程中，客户端会持有root.crt来验证server.crt，双向认证过程中，除了客户端认证方面以外，服务端也会验证client.crt。在进行双向认证时，可以采用动态下发证书的方式确认每一个客户端使用不同的证书和KEY，这样可以进一步加强传输的安全性。

单向认证

在使用TLS加密认证之前，我们需要提前添加一下bouncycastle依赖，它是适用于Java平台的轻量级密码术包。

implementation("org.bouncycastle:bcpkix-jdk15on:1.70")

下面进行MQTT的单向认证流程：

fun getOneWayAuthSocketFactory(): SSLSocketFactory {
    val caInputStream: InputStream = context.resources.openRawResource(R.raw.ca)
    Security.addProvider(BouncyCastleProvider())
    var caCert: X509Certificate? = null
    val bis = BufferedInputStream(caInputStream)
    val cf = CertificateFactory.getInstance("X.509")
    while (bis.available() > 0) {
        caCert = cf.generateCertificate(bis) as X509Certificate
    }
    val caKs = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType())
    caKs.load(null, null)
    caKs.setCertificateEntry("cert-certificate", caCert)
    val tmf: TrustManagerFactory = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm())
    tmf.init(caKs)
    val sslContext: SSLContext = SSLContext.getInstance("TLSv1.2")
    sslContext.init(null, tmf.trustManagers, null)
    return sslContext.socketFactory
}

编码之前需要先将跟证书放入到项目的raw目录下，然后就可以从raw目录下将根证书ca.crt读成输出流InputStream，在最后的SSLContext处需要注意的是TLS的版本，这里采用的是1.2的版本，最终可以从SSLContext中获取到SocketFactory。

拿到单向认证的SocketFactory之后，在MQTT进行连接的时候，将SocketFactory传入到MqttConnectionOptions中：

mqttConnectOptions.socketFactory = getOneWayAuthSocketFactory()

这样我们使用的MQTT就是单向认证的加密方式了。

双向认证

fun getTwoWayAuthSocketFactory(): SSLSocketFactory {
    val caCrtFileInputStream: InputStream = context.resources.openRawResource(R.raw.ca)
    val clientCrtFileInputStream: InputStream = context.resources.openRawResource(R.raw.client)
    val clientKeyFileInputStream: InputStream = context.resources.openRawResource(R.raw.client_key)
    Security.addProvider(BouncyCastleProvider())

    // 加载根证书ca.crt
    var caCert: X509Certificate? = null
    var bis = BufferedInputStream(caCrtFileInputStream)
    val cf = CertificateFactory.getInstance("X.509")
    while (bis.available() > 0) {
        caCert = cf.generateCertificate(bis) as X509Certificate
    }

    // 加载客户端证书client.crt
    bis = BufferedInputStream(clientCrtFileInputStream)
    var cert: X509Certificate? = null
    while (bis.available() > 0) {
        cert = cf.generateCertificate(bis) as X509Certificate
    }

    // 加载客户端KEY client.key
    val pemParser = PEMParser(InputStreamReader(clientKeyFileInputStream))
    val `object` = pemParser.readObject()
    val converter = JcaPEMKeyConverter().setProvider("BC")
    val key = converter.getKeyPair(`object` as PEMKeyPair)
    val caKs = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType())
    caKs.load(null, null)
    caKs.setCertificateEntry("cert-certificate", caCert)
    val tmf = TrustManagerFactory.getInstance(TrustManagerFactory.getDefaultAlgorithm())
    tmf.init(caKs)
    val ks = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType())
    ks.load(null, null)
    ks.setCertificateEntry("certificate", cert)
    ks.setKeyEntry("private-cert", key.private, "".toCharArray(), arrayOf<Certificate?>(cert))
    val kmf: KeyManagerFactory = KeyManagerFactory.getInstance(KeyManagerFactory.getDefaultAlgorithm())
    kmf.init(ks, "".toCharArray())
    val context = SSLContext.getInstance("TLSv1.2")
    context.init(kmf.getKeyManagers(), tmf.trustManagers, null)
    return context.socketFactory
}

双向认证多出了client.crt和client.key文件需要处理，如果这两个人文件为固定不变的，可直接放入raw目录，如果是动态下发的，这里就不需要从raw目录读取，直接从动态下发的字符串转换成流：

val clientCrt = "xxxxxxxxxx"
bis = BufferedInputStream(clientCrt.byteInputStream())

最后的版本号和单向认证保持一致即可。

通过单向或者双向认证之后，我们MQTT在传输过程中信息就不再是裸奔的状态了，TLS会将传输信息进行加密然后传输，这样我们就不必担心传输的信息被别人窃取。

本篇文章内容不多也不复杂，主要还是说明了下TLS认证在Android MQTT中是如何运用的，如果大家想更深入的了解下TLS 加密的具体过程，推荐阅读SSL 单向与双向认证

MQTT系列文章：

站在Android开发者的角度认识MQTT - 使用篇

站在Android开发者的角度认识MQTT - TLS 认证篇

站在Android开发者的角度认识MQTT - 源码篇

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