CN108173860A - 一种低端受限设备的mqtt连接方法、系统、终端及服务器 - Google Patents
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Abstract
一种低端受限设备的MQTT连接方法和系统，包括：终端和服务器共享密钥，所述服务器记录终端的密钥和加解密算法；所述终端连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，所述MQTT CONNECT消息参数经所述密钥签名；所述终端向订阅的主题发布消息，消息负载使用所述加解密算法进行加密；所述终端接收所述服务器发送的订阅的主题的消息后，根据所述加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。由于采用与终端计算能力匹配的加解密算法，如：DES、3DES、AES等或是私有加密算法，在兼容MQTT协议的情况下，通过改造MQTT服务器端，在无法采用TLS的情况下，使受限设备接入MQTT也可具备一定的安全性，从而扩展了设备设计制造时的选择范围。
Description
技术领域
本申请涉及物联网通信安全领域，尤其涉及一种低端受限设备的MQTT连接方法、系统、终端及服务器。
背景技术
MQTT是广泛使用的物联网通信协议，它采用发布/订阅机制，实现物联网设备之间、设备与人之间的实时消息交换。客户端连接上MQTT服务端后，需要保持一个TCP连接，通过此连接可向一个主题发送消息，或者订阅若干主题的消息，当这些主题有消息时即可实时得到通知。
默认情况下，MQTT连接上的消息是明文传输的。对于安全性有要求的应用场合，规范则建议使用TLS。目前开源实现的MQTT代理程序(如：Mosca 和Mosquitto)都只提供上述两种连接实现方式。也就是说，客户端连接MQTT 服务器，要么采用明文传输，要么采用TLS。
物联网安全问题目前是众多开发者和用户关心的头等大事。但是基于成本或功耗方面的考虑，许多智能设备采用低端受限的MCU作为控制芯片，其相对较差的计算能力和存储能力无法支持采用TLS方式连接MQTT。如果采用计算能力较高的MCU，虽然可以实现TLS，但是会增加设备功耗，加大制造成本，从而失去市场竞争能力。目前没有针对此种情况的解决方案和具体实现。
发明内容
本申请提供一种低端受限设备的MQTT连接方法、系统、终端及服务器。。
根据本申请的第一方面，本申请提供一种低端受限设备的MQTT连接方法，包括：
终端和服务器共享密钥，所述服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
所述终端连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，所述MQTTCONNECT消息参数经所述密钥签名；
所述终端向订阅的主题发布消息，消息负载使用所述加解密算法进行加密；
所述终端接收所述服务器发送的订阅的主题的消息后，根据所述加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
上述方法，所述终端连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，具体包括：
生成MQTT CONNECT消息的Username字段：deviceId+’；’+timestamp，其中，+代表字符串连接操作，deviceId为终端设备的唯一标识符，timestamp 为当前时间戳整数形式；
生成MQTT CONNECT消息的Password字段： hex(md5(username+deviceSecret))，其中，username是上一步骤生成的值， deviceSecret是和服务端共享的设备密钥；
将所述Username字段和Password字段填入MQTT CONNECT消息，所述终端向所述服务器发送连接请求。
根据本申请的第二方面，本申请提供一种低端受限设备的MQTT连接方法，包括：
终端和服务器共享密钥，所述服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
所述服务器接收所述终端发送的MQTT CONNECT消息后，对所述终端的合法性进行验证，所述MQTT CONNECT消息参数经所述密钥签名；
所述服务器收到所述终端通过主题发布的消息时，根据所述解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理；
所述服务器根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据所述加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给所述终端。
上述方法，所述服务器接收所述终端发送的MQTT CONNECT消息后，对所述终端的合法性进行验证，具体包括：
从MQTT CONNECT消息的Username字段提取deviceId部分；
根据提取的deviceId，从数据库中获取对应终端的deviceSecret以及其加解密算法；
利用从数据库中得到的deviceSecret计算Password，与从MQTT CONNECT 消息中提取的Password进行比对，如果相同，则验证通过。否则验证不通过，断开连接；
如果验证通过，则在MQTT连接的会话上下文中保存终端信息，所述终端信息包括deviceSecret和加解密算法。
根据本申请的第三方面，本申请提供一种低端受限设备的MQTT连接方法，包括：
终端和服务器共享密钥，所述服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
所述终端连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，所述 MQTTCONNECT消息参数经所述密钥签名；
所述服务器接收所述终端发送的CONNECT消息后，对所述终端的合法性进行验证；
所述终端向订阅的主题发布消息，消息负载使用所述加解密算法进行加密；
所述服务器收到所述终端通过主题发布的消息时，根据所述解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理；
所述服务器根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据所述加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给所述终端；
所述终端接收所述服务器发送的订阅的主题的消息后，根据所述加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
根据本申请的第四方面，本申请提供一种终端，包括：
密钥设置模块，用于使终端和服务器共享密钥；
连接模块，用于连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，所述MQTT CONNECT消息参数经所述密钥签名；
发布消息模块，用于向订阅的主题发布消息，消息负载使用所述加解密算法进行加密；
第一处理模块，用于接收所述服务器发送的订阅的主题的消息后，根据所述加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
根据本申请的第五方面，本申请提供一种服务器，包括：
存储模块，用于记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
验证模块，用于在接收终端发送的MQTT CONNECT消息后，对所述终端的合法性进行验证，所述MQTT CONNECT消息参数经所述密钥签名；
第二处理模块，所述服务器收到所述终端通过主题发布的消息时，根据所述解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理；
消息转发模块，用于根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据所述加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给所述终端。
根据本申请的第六方面，本申请提供一种低端受限设备的MQTT连接系统，包括上述终端和服务器。
根据本申请的第七方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，包括程序，所述程序能够被处理器执行以实现上述方法。
由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：
在本申请的具体实施方式中，由于采用与终端计算能力匹配的加解密算法，如：DES、3DES、AES等或是私有加密算法，在兼容MQTT协议的情况下，通过改造MQTT服务器端，在无法采用TLS的情况下，使受限设备接入MQTT也可具备一定的安全性，从而扩展了设备设计制造时的选择范围。
附图说明
图1为本申请的方法在一种实施方式中的流程图；
图2为本申请的方法在另一种实施方式中的流程图；
图3为本申请的方法在又一种实施方式中的流程图；
图4为本申请的终端在一种实施方式中的功能模块示意图；
图5为本申请的服务器在一种实施方式中的功能模块示意图；
图6为本申请的系统在一种实施方式中的功能模块示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。
实施例一：
如图1所示，本申请的低端受限设备的MQTT连接方法，其一种实施方式，包括以下步骤：
步骤102：终端和服务器共享密钥，服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；本申请中的服务器为支持MQTT协议的服务器。
步骤104：终端连接服务器，将MQTT CONNECT消息发送给服务器，MQTT CONNECT消息参数经密钥签名。
步骤106：终端向订阅的主题发布消息，消息负载使用加解密算法进行加密。
步骤108：终端接收服务器发送的订阅的主题的消息后，根据加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
在一种实施方式中，步骤104具体包括：
步骤1042：生成MQTT CONNECT消息的Username字段： deviceId+’；’+timestamp，其中，+代表字符串连接操作，deviceId为终端设备的唯一标识符，timestamp为当前时间戳整数形式；
步骤1044：生成MQTT CONNECT消息的Password字段： hex(md5(username+deviceSecret))，其中，username是上一步骤生成的值， deviceSecret是和服务端共享的设备密钥；
步骤1046：将Username字段和Password字段填入MQTT CONNECT消息，终端向服务器发送连接请求。
本申请采用标准的或私有的加解密算法，在兼容MQTT协议的情况下，通过改造MQTT服务器端，在无法采用TLS的情况下，使受限设备接入MQTT 也可具备一定的安全性，从而扩展了设备设计制造时的选择范围。
采用本申请方案的MQTT服务器，其终端设备可自由选择消息负载的加解密方案，为MQTT连接带来安全性保障的同时，完全不影响其它终端与本终端交换消息。服务端会自动在各终端设备之间正确的切换加解密方法。本申请不限定终端所采取的加解密算法，只需终端和服务端约定好即可。一旦约定，加解密算法将只影响此类终端与服务端的连接，其它种类终端与服务端的连接以及加解密不会受影响。加密设备和明文设备，以及采用TLS的设备，都可以自由的交换信息，不受本类设备所采用加密算法的影响。
实施例二：
如图2所示，本申请的低端受限设备的MQTT连接方法，其另一种实施方式，包括以下步骤：
步骤202：终端和服务器共享密钥，服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法。
步骤204：服务器接收终端发送的MQTT CONNECT消息后，对终端的合法性进行验证，MQTT CONNECT消息参数经密钥签名。
步骤206：服务器收到终端通过主题发布的消息时，根据解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理。
步骤208：服务器根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给终端。
在一种实施方式中，步骤204具体可以包括：
步骤2042：从MQTT CONNECT消息的Username字段提取deviceId部分； (’；’分号前面部分)。
步骤2044：根据提取的deviceId，从数据库中获取对应终端的deviceSecret 以及其加解密算法，如：DES，3DES，AES等，也可以采用自己私有的加解密算法，只要终端和服务端约定好即可。
步骤2046：利用从数据库中得到的deviceSecret计算Password，与从MQTTCONNECT消息中提取的Password进行比对，如果相同，则验证通过。否则验证不通过，断开连接。
步骤2048：如果验证通过，则在MQTT连接的会话上下文中保存终端信息，所述终端信息包括deviceSecret和加解密算法。
在一种实施方式中，以Mosca为例，重载server.authorizePublish(client,topic,payload,callback)方法，步骤206具体可以包括：
步骤2062：根据client参数上面记录的解密方法，利用client上面记录的deviceSecret，对payload参数进行解密，解密之后的结果为decrypted；
步骤2064：用解密之后的结果调用callback，如：callback(null, decrypted)；
Mosca后续的处理将以解密后的消息内容进行存储和转发。
在另一种实施方式中，以Mosca为例重载server. authorizeForward(client,packet,callback)，执行如以Mosca为例，重载 server.authorizeForward(client,packet,callback)函数，步骤208具体包括以下步骤：
步骤2082：根据client参数上面记录的加密方法，并利用client上面记录的deviceSecret，对packet.payload进行加密；
步骤2084：将上述步骤加密的结果再写回packet.payload；
步骤2086：Mosca将加密的消息负载转发到终端设备；
实施例三：
如图3所示，本申请的低端受限设备的MQTT连接方法，其一种实施方式，包括以下步骤：
步骤302：终端和服务器共享密钥，服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法。
步骤304：终端连接服务器，将MQTT CONNECT消息发送给服务器，MQTT CONNECT消息参数经所述密钥签名。
步骤306：服务器接收终端发送的CONNECT消息后，对终端的合法性进行验证。
步骤308：终端向订阅的主题发布消息，消息负载使用加解密算法进行加密。
步骤310：服务器收到终端通过主题发布的消息时，根据解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理。
步骤312：服务器根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给终端。
步骤314：终端接收服务器发送的订阅的主题的消息后，根据加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
实施例四：
如图4所示，本申请的终端，其一种实施方式，包括密钥设置模块、连接模块、发布消息模块和第一处理模块。
密钥设置模块，用于使终端和服务器共享密钥；
连接模块，用于连接服务器，将MQTT CONNECT消息发送给服务器，MQTT CONNECT消息参数经密钥签名；
发布消息模块，用于向订阅的主题发布消息，消息负载使用加解密算法进行加密；
第一处理模块，用于接收服务器发送的订阅的主题的消息后，根据加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
实施例五：
如图5所示，本申请的服务器，其一种实施方式，包括存储模块、验证模块、第二处理模块和消息转发模块。
存储模块，用于记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
验证模块，用于在接收终端发送的MQTT CONNECT消息后，对终端的合法性进行验证，MQTT CONNECT消息参数经密钥签名；
第二处理模块，服务器收到终端通过主题发布的消息时，根据解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理；
消息转发模块，用于根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据所述加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给所述终端。
实施例六：
如图6所示，本申请的低端受限设备的MQTT连接系统，其一种实施方式，包括终端和服务器。其中，终端包括密钥设置模块、连接模块、发布消息模块和第一处理模块；服务器包括存储模块、验证模块、第二处理模块和消息转发模块。
密钥设置模块，用于使终端和服务器共享密钥；
存储模块，用于记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
连接模块，用于连接服务器，将MQTT CONNECT消息发送给服务器，MQTT CONNECT消息参数经密钥签名；
验证模块，用于在接收终端发送的MQTT CONNECT消息后，对终端的合法性进行验证，MQTT CONNECT消息参数经密钥签名；
发布消息模块，用于向订阅的主题发布消息，消息负载使用加解密算法进行加密；
第二处理模块，服务器收到终端通过主题发布的消息时，根据解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理；
消息转发模块，用于根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给终端；
第一处理模块，用于接收服务器发送的订阅的主题的消息后，根据加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
实施例七：
本申请还提供一种计算机可读存储介质，包括程序，该程序能够被处理器执行以实现实施例一至三中的方法。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
Claims (9)
1.一种低端受限设备的MQTT连接方法，其特征在于，包括：
终端和服务器共享密钥，所述服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配加解密算法，终端计算能力；
所述终端连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，所述MQTTCONNECT消息参数经所述密钥签名；
所述终端向订阅的主题发布消息，消息负载使用所述加解密算法进行加密；
所述终端接收所述服务器发送的订阅的主题的消息后，根据所述加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述终端连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，具体包括：
生成MQTT CONNECT消息的Username字段：
deviceId+’；’+t imestamp，其中，+代表字符串连接操作，deviceId为终端设备的唯一标识符，t imestamp为当前时间戳整数形式；
生成MQTT CONNECT消息的Password字段：
hex(md5(username+deviceSecret))，其中，username是上一步骤生成的值，deviceSecret是和服务端共享的设备密钥；
将所述Username字段和Password字段填入MQTT CONNECT消息，所述终端向所述服务器发送连接请求。
3.一种低端受限设备的MQTT连接方法，其特征在于，包括：
终端和服务器共享密钥，所述服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
所述服务器接收所述终端发送的MQTT CONNECT消息后，对所述终端的合法性进行验证，所述MQTT CONNECT消息参数经所述密钥签名；
所述服务器收到所述终端通过主题发布的消息时，根据所述解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理；
所述服务器根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据所述加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给所述终端。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述服务器接收所述终端发送的MQTTCONNECT消息后，对所述终端的合法性进行验证，具体包括：
从MQTT CONNECT消息的Username字段提取deviceId部分；
根据提取的deviceId，从数据库中获取对应终端的deviceSecret以及其加解密算法；
利用从数据库中得到的deviceSecret计算Password，与从MQTT CONNECT消息中提取的Password进行比对，如果相同，则验证通过。否则验证不通过，断开连接；
如果验证通过，则在MQTT连接的会话上下文中保存终端信息，所述终端信息包括deviceSecret和加解密算法。
5.一种低端受限设备的MQTT连接方法，其特征在于，包括：
终端和服务器共享密钥，所述服务器记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
所述终端连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，所述MQTTCONNECT消息参数经所述密钥签名；
所述服务器接收所述终端发送的CONNECT消息后，对所述终端的合法性进行验证；
所述终端向订阅的主题发布消息，消息负载使用所述加解密算法进行加密；
所述服务器收到所述终端通过主题发布的消息时，根据所述解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理；
所述服务器根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据所述加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给所述终端；
所述终端接收所述服务器发送的订阅的主题的消息后，根据所述加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
6.一种终端，其特征在于，包括：
密钥设置模块，用于使终端和服务器共享密钥；
连接模块，用于连接所述服务器，将MQTT CONNECT消息发送给所述服务器，所述MQTTCONNECT消息参数经所述密钥签名；
发布消息模块，用于向订阅的主题发布消息，消息负载使用所述加解密算法进行加密；
第一处理模块，用于接收所述服务器发送的订阅的主题的消息后，根据所述加解密算法进行解密，然后再根据明文的消息负载进行业务处理。
7.一种服务器，其特征在于，包括：
存储模块，用于记录终端的密钥和与终端计算能力匹配的加解密算法；
验证模块，用于在接收终端发送的MQTT CONNECT消息后，对所述终端的合法性进行验证，所述MQTT CONNECT消息参数经所述密钥签名；
第二处理模块，所述服务器收到所述终端通过主题发布的消息时，根据所述解密算法，对收到的消息负载进行解密，然后再对明文消息负载进行后续处理；
消息转发模块，用于根据主题订阅情况，对需要转发到终端的消息，根据所述加密算法对其消息负载加密，再将加密的消息负载发送给所述终端。
8.一种低端受限设备的MQTT连接系统，其特征在于，包括如权利要求6所述的终端和如权利要求7所述的服务器。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，所述程序能够被处理器执行以实现如权利要求1-5任意一项所述的方法。
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