用TLS/SSL保证EMQ的网络传输安全

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，EMQ的MQTT broker支持TLS，也可以用这种方式来确保传输安全。

参考官网：https://www.emqx.io/cn/blog/emqx-server-ssl-tls-secure-connection-configuration-guide

TLS/SSL带来的安全优势

• 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办法的，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，会话密钥有通讯双方协商产生。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。

接下来EMQ君将介绍TLS/SSL协议以及如何在EMQ上启用。

TLS/SSL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，redord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。有兴趣的同学可以放狗找更详细的资料看。对这个过程不了解也并不影响我们在EMQ中启用这个功能。

在EMQ中启用TLS/SSL的准备工作

通常来说，我们会需要数字证书来保证TLS通讯的强认证。数字证书的试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EMQ的，EMQ的证书由CA颁发，并用CA的证书验证。如果要做双向认证，还会用到一个客户端证书。

获得一个真正受外界信任的证书会有一定的开销。在实验室环境，我们可以用自己生成的证书来模拟这个过程。接下来的演示，EMQ君就是用的这个方法。

在这里，我们假设您的系统已经安装了OpenSSL。试用OpenSSL附带的工具集就可以生成我们需要的证书了。

首先，我们需要一个自签名的CA证书。生成这个证书需要有一个私钥为它签名，如果还没有合适的私钥的话，可以在命令行上执行以下命令来生成一个：

openssl genrsa -out MyRootCA.key 2048

这个命令将生成一个密钥长度2048的密钥并保存在MyRootCA.key,有了这个密钥，就可以用它来生成EMQ broker的根证书了，请求中需要填写一些信息，尽量和下面新建的openssl.cnf文件中的信息一样：

 openssl req -x509 -new -nodes -key MyRootCA.key -sha256 -days 3650 -out MyRootCA.pem 

根证书是整个信任链的起点，如果一个证书的每一级签发者向上一直到根证书都是可信的，那个我们就可以认为这个证书也是可信的。有了这个根证书，我们就可以用它来给其他实体签发实体证书了。

生成server端秘钥和证书

实体（在这里就是EMQ Broker）也需要一个自己的私钥对来保证它对自己证书的控制权。生成这个密钥的过程和上面类似：

openssl genrsa -out MyEMQ.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

[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 = Jiangsu
localityName = Suzhou 
organizationName = test.io
commonName = www.test.com
[req_ext]
subjectAltName = @alt_names
[v3_req]
subjectAltName = @alt_names
[alt_names]
## IP.1 = BROKER_ADDRESS
DNS.1 = www.test.com

然后以这个密钥签发一个证书请求，请求中需要填写一些信息，尽量和上面新建的openssl.cnf文件中的信息一样：

openssl req -new -key ./MyEMQ.key -config openssl.cnf -out MyEMQ.csr

然后以根证书来签发EMQ Broker的实体证书了：

openssl x509 -req -in ./MyEMQ.csr -CA MyRootCA.pem -CAkey MyRootCA.key -CAcreateserial -out MyEMQ.pem -days 3650 -sha256 -extensions v3_req -extfile openssl.cnf

现在，我们可以启用EMQ的TLS/SSL连接了

在EMQ Broker上启用TLS/SSL

启用TLS/SSL的过程是比较简单的，只需要修改emq.conf文件中的一些配置就可以了：

listener.ssl.external = 8883

#private key for emq cert:
listener.ssl.external.keyfile = etc/certs/MyEMQ.key

#emq cert:
listener.ssl.external.certfile = etc/certs/MyEMQ.pem

#CA cert:
listener.ssl.external.cacertfile = etc/certs/MyRootCA.pem

重启EMQ后，用mosquittu_sub来验证TLS是否正常启动：

然后以根证书来签发EMQ Broker的实体证书了：

mosquitto_sub -t abc -h 192.168.238.132 -p 8883 -d --cafile ~/test_certs/MyRootCA.pem  --insecure

Client mosqsub|10617-Zhengyus- sending CONNECT
Client mosqsub|10617-Zhengyus- received CONNACK
Client mosqsub|10617-Zhengyus- sending SUBSCRIBE (Mid: 1, Topic: abc, QoS: 0)
Client mosqsub|10617-Zhengyus- received SUBACK
Subscribed (mid: 1): 0

这个结果和我们期待的一样。moqsuitto客户端通过TLS/ssl正常连接并订阅主题。
如果我们从EMQ的Dashboard上看的话，可以看到在8883端口上有一个mqtt:ssl连接：

启用TLS/SSL的双向验证

在一些对于身份验证要求比较严格的场景，也会要求EMQ对客户端的身份用证书进行验证。这时候就需要启动双向验证了。

在emq.conf中启动对对端的证书验证：

#enable the client side certificates
listener.ssl.external.verify = verify_peer

在emq.conf中强制对对端的证书验证：

#set it to 'true' to allow the ssl with client side certificate only
listener.ssl.external.fail_if_no_peer_cert = true

完成上面的步骤后，如果我们再想用之前的方式连接EMQ，客户端就会被拒绝：

mosquitto_sub -t abc -h emq1 -p 8883 -d --cafile ~/test_certs/MyRootCA.pem  --insecure
Client mosqsub|10738-Zhengyus- sending CONNECT
Error: A TLS error occurred.

生成client端秘钥和证书

现在我们试用和生成服务器端证书一样的方法来生成客户端证书：

openssl genrsa -out MyClient.key 2048

openssl req -new -key ./MyClient.key -config openssl.cnf -out MyClient.csr

openssl x509 -req -in ./MyClient.csr -CA MyRootCA.pem -CAkey MyRootCA.key -CAcreateserial -out MyClient.pem -days 3650 -sha256 -extensions v3_req -extfile openssl.cnf

修改mosquitto_sub的命令行启动客户端证书验证：

mosquitto_sub -t abc -h 192.168.238.132 -p 8883 -d --key ~/test_certs/MyClient.key --cert ~/test_certs/MyClient.pem --cafile ~/test_certs/MyRootCA.pem  --insecure
Client mosqsub|10796-Zhengyus- sending CONNECT
Client mosqsub|10796-Zhengyus- received CONNACK
Client mosqsub|10796-Zhengyus- sending SUBSCRIBE (Mid: 1, Topic: abc, QoS: 0)
Client mosqsub|10796-Zhengyus- received SUBACK
Subscribed (mid: 1): 0

也可以尝试python客户端：

import paho.mqtt.client as mqtt
import json, os

sub_list = [("abc", 0), ('pub', 2)]

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("Connected with result code " + str(rc))
    # 连接成功回调
    result, mid = client.subscribe(sub_list)
    # print('result:', result)
    # print('mid:', mid)


# 接收到消息的回调方法
def on_message(client, userdata, msg):
    payload = msg.payload.decode()
    print(msg.topic)
    print(payload)
    # print(msg.topic + ":" + payload)


if __name__ == '__main__':
    client = mqtt.Client()
    client.on_connect = on_connect
    client.on_message = on_message
    # client.username_pw_set("username", "pwd")
    crtPath = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)) + r"crt"
    ca_certs = "%scaMyRootCA.pem" % crtPath
    certfile = "%sclientMyClient.pem" % crtPath
    keyfile = "%sclientMyClient.key" % crtPath
    print(ca_certs)
    client.tls_set(ca_certs=ca_certs,
                   certfile=certfile,
                   keyfile=keyfile,
                   )
    client.tls_insecure_set(True)

    
    HOST = "192.168.238.132"

    client.connect(HOST, 8883, 30)
    # client.loop_forever()

    client.loop_start()

    while True:
        str = input()
        if str:
            client.publish("abc", str, 0)