1、智能設備安全考慮

1.1、消費者關注

根據權威機構調查報告顯示消費者在購買智能設備時的考量因素，安全和隱私的因素占比大約在50%，

1.2、安全風險

著名網路安全公司SonicWall在其2020年發布的網路安全報告中揭露，去年（2019）其記錄的針對IoT智能設備的安全攻擊增長5%，并且可以預見未來針對IoT智能設備的攻擊將會越來越多，

安全在智能設備開發中非常重要，同時作為普通的開發者和中小企業從0構建一套全面且穩定的安全防護能力，也是比較困難的， 那如何輕松地構建智能設備的安全能力，免遭黑客的攻擊呢？

答案就是使用AliOS Things來進行智能設備的開發， AliOS Things是阿里巴巴自主研發、面向 IoT 領域的、高可伸縮的物聯網作業系統， AliOS Things 致力于搭建云端一體化 IoT 基礎設施，具備極致性能、極簡開發、云端一體、豐富組件、安全防護等關鍵能力，

2、AliOS Things安全能力

AliOS Things在加速智能設備產品開發的同時，注重建設智能設備的安全防護能力，

在端上安全能力的建設是以ID2為中心，目標是為物聯網設備提供設備身份認證，在上方提供使用ID2的tls安全連接協議（itls：基于mbedtls修改，主要修改mbedtls中tls協議的認證部分，改用ID2認證），在下方需要對接各種不同廠家的不同等級的安全芯片（tee, se, mcu中的安全能力），應用的開發者可以使用大家比較熟悉的mbedtls api來開發應用，

AliOS Things的安全能力比較豐富，后續會有一系列的文章來闡述，

本文章先從應用開發者接觸比較多的Mbed TLS開始介紹，

3、Mbed TLS 介紹

3.1、Mbed TLS 是什么

Mbed TLS 是一個提供安全基礎能力的庫，它提供了安全演算法，X.509證書，TLS/DTLS協議的實作，

安全演算法方面它主要提供了下列功能

對稱加密演算法

AES, Blowfish, Triple-DES (3DES), DES, ARC4, Camellia, XTEA, ChaCha20

對稱加密演算法的作業模式

ECB, CBC, CFB, CTR, GCM, CCM

非對稱加密演算法

RSA, DH, ECC, ECDHE, ECDSA

Hash演算法

MD2, MD4, MD5, SHA-1, SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512, RIPEMD-160

亂數
訊息認證演算法

HMAC, Poly1305

編碼

ASN.1, BASE64

協議實作方面它提供了TLS/DTLS協議的客戶端和服務端實作，支持SSL 3.0，TLS 1.0，TLS 1.1，TLS 1.2, DTLS 1.0, DTLS 1.2，

一言以蔽之， Mbed TLS是OpenSSL的替代品，Mbed TLS比OpenSSL更輕量級，適用于資源比較受限的嵌入式設備上，

3.2、Mbed TLS 使用場景

鑒于Mbed TLS是一個提供安全基礎能力的庫，提供的能力比較全面，大多功能都可以單獨使用，所以它的使用場景特別豐富，

使用Mbed TLS把自己的web server進行安全加固，從http變成https的web站點，
使用Mbed TLS訪問一個https的web站點，
使用Mbed TLS對資料進行加密/解密，簽名/驗簽， Hash運算，證書生成/決議，產生亂數等，

4、Mbed TLS 原始碼分析

前提說明：Transport Layer Security (TLS) 是Secure Sockets Layer (SSL) 的更高級版本， TLS 1.0是在SSL 3.0的基礎上開發的，TLS是IETF標準化后的重新命名，在多種代碼實作中并不區分TLS與SSL的名稱，在API，資料結構中大多都使用SSL的名稱，

4.1、一次握手程序

Mbed TLS的原始碼特別多，下面以TLS客戶端的一次TLS握手的代碼實作為例，來分析一下TLS握手的處理程序，

// 執行SSL握手，協商SSL連接的各個因素，
int mbedtls_ssl_handshake( mbedtls_ssl_context *ssl )
{
    int ret = 0;

    if( ssl == NULL || ssl->conf == NULL )
        return( MBEDTLS_ERR_SSL_BAD_INPUT_DATA );

    MBEDTLS_SSL_DEBUG_MSG( 2, ( "=> handshake" ) );

    while( ssl->state != MBEDTLS_SSL_HANDSHAKE_OVER )
    {
        // 根據SSL握手的狀態，回圈處理SSL握手的各個階段，直到握手結束，
        ret = mbedtls_ssl_handshake_step( ssl );

        if( ret != 0 )
            break;
    }

    MBEDTLS_SSL_DEBUG_MSG( 2, ( "<= handshake" ) );

    return( ret );
}

// 處理SSL握手的單個步驟
int mbedtls_ssl_handshake_step( mbedtls_ssl_context *ssl )
{
    int ret = MBEDTLS_ERR_SSL_FEATURE_UNAVAILABLE;

    if( ssl == NULL || ssl->conf == NULL )
        return( MBEDTLS_ERR_SSL_BAD_INPUT_DATA );

#if defined(MBEDTLS_SSL_CLI_C)
    if( ssl->conf->endpoint == MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT )
        // SSL客戶端主動發起SSL連接請求，在這里處理SSL握手的單個步驟，
        ret = mbedtls_ssl_handshake_client_step( ssl );
#endif
#if defined(MBEDTLS_SSL_SRV_C)
    if( ssl->conf->endpoint == MBEDTLS_SSL_IS_SERVER )
        // SSL被動接受SSL連接請求，在這里處理SSL握手的單個步驟，
        ret = mbedtls_ssl_handshake_server_step( ssl );
#endif

    return( ret );
}

// SSL客戶端的單個階段的握手處理
int mbedtls_ssl_handshake_client_step( mbedtls_ssl_context *ssl )
{
    int ret = 0;

    // SSL狀態和引數和合法性檢查
    if( ssl->state == MBEDTLS_SSL_HANDSHAKE_OVER || ssl->handshake == NULL )
        return( MBEDTLS_ERR_SSL_BAD_INPUT_DATA );

    MBEDTLS_SSL_DEBUG_MSG( 2, ( "client state: %d", ssl->state ) );

    // flush此連接上的資料，防止上一個步驟的資料未完全發出去
    if( ( ret = mbedtls_ssl_flush_output( ssl ) ) != 0 )
        return( ret );

#if defined(MBEDTLS_SSL_PROTO_DTLS)
    // DTLS處理
    if( ssl->conf->transport == MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_DATAGRAM &&
        ssl->handshake->retransmit_state == MBEDTLS_SSL_RETRANS_SENDING )
    {
        if( ( ret = mbedtls_ssl_flight_transmit( ssl ) ) != 0 )
            return( ret );
    }
#endif /* MBEDTLS_SSL_PROTO_DTLS */

    /* Change state now, so that it is right in mbedtls_ssl_read_record(), used
     * by DTLS for dropping out-of-sequence ChangeCipherSpec records */
#if defined(MBEDTLS_SSL_SESSION_TICKETS)
    if( ssl->state == MBEDTLS_SSL_SERVER_CHANGE_CIPHER_SPEC &&
        ssl->handshake->new_session_ticket != 0 )
    {
        ssl->state = MBEDTLS_SSL_SERVER_NEW_SESSION_TICKET;
    }
#endif

    switch( ssl->state )
    {
        case MBEDTLS_SSL_HELLO_REQUEST:
            // 切換狀態hello request到發送client hello狀態
            ssl->state = MBEDTLS_SSL_CLIENT_HELLO;
            break;

       /*
        *  ==>   ClientHello
        */
       case MBEDTLS_SSL_CLIENT_HELLO:
           //發送client hello報文，主要包括ssl協議的版本，亂數，加密演算法套件, 壓縮演算法，協議擴展，
           //此階段主要是客戶端用來告知服務端，自己所具備的能力，如支持的演算法，協議版本，協議擴展等，
           //就這些能力與服務端進行協商，如服務端會選擇一個演算法套件，
           ret = ssl_write_client_hello( ssl );
           break;

       /*
        *  <==   ServerHello
        *        Certificate
        *      ( ServerKeyExchange  )
        *      ( CertificateRequest )
        *        ServerHelloDone
        */
       case MBEDTLS_SSL_SERVER_HELLO:
           // 決議服務端發送過來的server hello報文，處理服務端發來的協議版本，亂數，session id， 
           // 服務端選擇的加密演算法套件，壓縮演算法（一般不使用壓縮），協議擴展等，
           // 另外如果客戶端發來是重協商請求，執行重協商檢查和處理，
           ret = ssl_parse_server_hello( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_SERVER_CERTIFICATE:
           // 決議服務端發送過來的server 證書，協議證書，進行證書的合法性檢查，
           // 檢查通過后利用信任的CA證書進行驗證，驗證通過后檢查證書的用途，檢查用途合法后切換狀態到
           // 下一個階 MBEDTLS_SSL_SERVER_KEY_EXCHANGE，
           ret = mbedtls_ssl_parse_certificate( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_SERVER_KEY_EXCHANGE:
           // 決議服務端的key交換，或者key計算的材料，
           ret = ssl_parse_server_key_exchange( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_CERTIFICATE_REQUEST:
           // 決議服務度發送的證書請求報文（可選），只有在服務端要求認證客戶端時才有這個報文，
           // 客戶端在收到服務端發來的證書請求報文后，發送自己的認證給對端認證，
           ret = ssl_parse_certificate_request( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_SERVER_HELLO_DONE:
           //決議服務度發送的server hello done報文，表示server hello階段的報文到此結束
           ret = ssl_parse_server_hello_done( ssl );
           break;

       /*
        *  ==> ( Certificate/Alert  )
        *        ClientKeyExchange
        *      ( CertificateVerify  )
        *        ChangeCipherSpec
        *        Finished
        */
       case MBEDTLS_SSL_CLIENT_CERTIFICATE:
           //發送客戶端的證書，只有在收到服務端發來的證書請求時才發送，服務端會對發過去的證書進行認證
           //以確定客戶端身份的合法性，
           ret = mbedtls_ssl_write_certificate( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_CLIENT_KEY_EXCHANGE:
           //發送客戶端的KEY協商報文，主要包括KEY協商的協議如DH， 和協商的材料，
           ret = ssl_write_client_key_exchange( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_CERTIFICATE_VERIFY:
           ret = ssl_write_certificate_verify( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_CLIENT_CHANGE_CIPHER_SPEC:
           // 客戶端發送changecipherspec報文，表明接下來開始使用協商計算出來的key，進行加密通信
           ret = mbedtls_ssl_write_change_cipher_spec( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_CLIENT_FINISHED:
           // 客戶端發送finished報文，表明握手結束，訊息包括客戶端交換過的重要資訊的MAC，此訊息是被加密的
           // 重要資訊包括客戶端發送的亂數，KEY交換的材料等， 這個報文的意義在于之前協商的報文雖然是明文，
           // 但確是不能被篡改的，所以需要一個握手最后程序的完整性保護，
           ret = mbedtls_ssl_write_finished( ssl );
           break;

       /*
        *  <==   ( NewSessionTicket )
        *        ChangeCipherSpec
        *        Finished
        */
#if defined(MBEDTLS_SSL_SESSION_TICKETS)
       case MBEDTLS_SSL_SERVER_NEW_SESSION_TICKET:
           // 決議服務端的session ticket，
           ret = ssl_parse_new_session_ticket( ssl );
           break;
#endif

       case MBEDTLS_SSL_SERVER_CHANGE_CIPHER_SPEC:
           // 決議服務端發送的changecipherspec報文，表明服務端接下來會使用之前
           // 協商出來的key，進行加密通信，
           ret = mbedtls_ssl_parse_change_cipher_spec( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_SERVER_FINISHED:
           // 決議服務端的finished報文，計算之前協商程序重要資訊的MAC值，保證之前的協商資訊
           // 雖然是明文的, 但沒有被篡改過，
           ret = mbedtls_ssl_parse_finished( ssl );
           break;

       case MBEDTLS_SSL_FLUSH_BUFFERS:
           // flush之前發送的協商報文
           MBEDTLS_SSL_DEBUG_MSG( 2, ( "handshake: done" ) );
           ssl->state = MBEDTLS_SSL_HANDSHAKE_WRAPUP;
           break;

       case MBEDTLS_SSL_HANDSHAKE_WRAPUP:
           // SSL連接已經建立，準備切換當前的ssl session和傳輸層，并釋放之前舊的session和傳輸層資料，
           mbedtls_ssl_handshake_wrapup( ssl );
           break;

       default:
           //其他無效狀態
           MBEDTLS_SSL_DEBUG_MSG( 1, ( "invalid state %d", ssl->state ) );
           return( MBEDTLS_ERR_SSL_BAD_INPUT_DATA );
   }

    return( ret );
}

4.2、AliOS Things Mbed TLS

AliOS Things Mbed TLS是在開源的Mbed TLS 2.16.0 基礎上，適配到AliOS Things，秉承的宗旨是盡量少改動，API與開源的完全保持一致，方便開發者使用和移植上面的應用，相關代碼路徑在components/security/mbedtls，

AliOS Things Mbed TLS組件在開源的基礎上主要有以下幾點修改：

thread的實作，
network socket的發送和接受實作，
動態記憶體的管理，
適應AliOS Things的配置，完整組態檔 components/security/mbedtls/aos/include/mbedtls_config.h ，

為適應嵌入式設備資源非常受限的場景，AliOS Things對Mbed TLS還提供了組件化的配置，用戶可以執行aos make menuconfig，依次進入到 Utility Configuration -> Mbed TLS 2.16.0 -> Mbedtls Configuration 根據自己的場景需要，進行適當的配置，我們對Mbed TLS組件提供了默認配置，能覆寫大部分場景，

5、Mbed TLS 使用例程

以一個簡單的TLS客戶端為例，該TLS客戶端訪問阿里云物聯網平臺（上海站點）iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com，

......
#define SERVER_PORT "1883"
#define SERVER_NAME "a1MZxOdcBnO.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com"
#define GET_REQUEST "GET / HTTP/1.0\r\n\r\n"

// 驗證對端證書所需要的CA認證
const char* tls_client_test_ca_pem = \
    "-----BEGIN CERTIFICATE-----\r\n"
    "MIIDdTCCAl2gAwIBAgILBAAAAAABFUtaw5QwDQYJKoZIhvcNAQEFBQAwVzELMAkG\r\n" \
    "A1UEBhMCQkUxGTAXBgNVBAoTEEdsb2JhbFNpZ24gbnYtc2ExEDAOBgNVBAsTB1Jv\r\n" \
    "b3QgQ0ExGzAZBgNVBAMTEkdsb2JhbFNpZ24gUm9vdCBDQTAeFw05ODA5MDExMjAw\r\n" \
    "MDBaFw0yODAxMjgxMjAwMDBaMFcxCzAJBgNVBAYTAkJFMRkwFwYDVQQKExBHbG9i\r\n" \
    "YWxTaWduIG52LXNhMRAwDgYDVQQLEwdSb290IENBMRswGQYDVQQDExJHbG9iYWxT\r\n" \
    "aWduIFJvb3QgQ0EwggEiMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4IBDwAwggEKAoIBAQDaDuaZ\r\n" \
    "jc6j40+Kfvvxi4Mla+pIH/EqsLmVEQS98GPR4mdmzxzdzxtIK+6NiY6arymAZavp\r\n" \
    "xy0Sy6scTHAHoT0KMM0VjU/43dSMUBUc71DuxC73/OlS8pF94G3VNTCOXkNz8kHp\r\n" \
    "1Wrjsok6Vjk4bwY8iGlbKk3Fp1S4bInMm/k8yuX9ifUSPJJ4ltbcdG6TRGHRjcdG\r\n" \
    "snUOhugZitVtbNV4FpWi6cgKOOvyJBNPc1STE4U6G7weNLWLBYy5d4ux2x8gkasJ\r\n" \
    "U26Qzns3dLlwR5EiUWMWea6xrkEmCMgZK9FGqkjWZCrXgzT/LCrBbBlDSgeF59N8\r\n" \
    "9iFo7+ryUp9/k5DPAgMBAAGjQjBAMA4GA1UdDwEB/wQEAwIBBjAPBgNVHRMBAf8E\r\n" \
    "BTADAQH/MB0GA1UdDgQWBBRge2YaRQ2XyolQL30EzTSo//z9SzANBgkqhkiG9w0B\r\n" \
    "AQUFAAOCAQEA1nPnfE920I2/7LqivjTFKDK1fPxsnCwrvQmeU79rXqoRSLblCKOz\r\n" \
    "yj1hTdNGCbM+w6DjY1Ub8rrvrTnhQ7k4o+YviiY776BQVvnGCv04zcQLcFGUl5gE\r\n" \
    "38NflNUVyRRBnMRddWQVDf9VMOyGj/8N7yy5Y0b2qvzfvGn9LhJIZJrglfCm7ymP\r\n" \
    "AbEVtQwdpf5pLGkkeB6zpxxxYu7KyJesF12KwvhHhm4qxFYxldBniYUr+WymXUad\r\n" \
    "DKqC5JlR3XC321Y9YeRq4VzW9v493kHMB65jUr9TU/Qr6cf9tveCX4XSQRjbgbME\r\n" \
    "HMUfpIBvFSDJ3gyICh3WZlXi/EjJKSZp4A==\r\n" \
    "-----END CERTIFICATE-----\r\n";

int tls_client_test( void )
{
    mbedtls_net_context server_fd;
    mbedtls_ssl_context ssl;
    mbedtls_ssl_config conf;
    mbedtls_x509_crt cacert;
    ......

    /* 設定DEBUG級別 */
#if defined(MBEDTLS_DEBUG_C) 
    mbedtls_debug_set_threshold( DEBUG_LEVEL );
#endif

    // 0. 初始化需要的資料結構，
    mbedtls_net_init( &server_fd );
    mbedtls_ssl_init( &ssl );
    mbedtls_ssl_config_init( &conf );
    mbedtls_x509_crt_init( &cacert );

    // 1. 加載信任的CA證書
    mbedtls_x509_crt_parse( &cacert, (const unsigned char *) tls_client_test_ca_pem,
                          strlen( tls_client_test_ca_pem ) + 1 );

    // 2. 建立TCP的連接
	mbedtls_net_connect( &server_fd, SERVER_NAME, SERVER_PORT, MBEDTLS_NET_PROTO_TCP )

    // 3. 使用SSL默認配置, 設定為SSL客戶端，采用TCP，
    mbedtls_ssl_config_defaults( &conf,
                    MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT,
                    MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_STREAM,
                    MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT ) ) != 0 )
	
    // 3.1. 配置ssl的認證模式為需要認證對端，
    mbedtls_ssl_conf_authmode( &conf, MBEDTLS_SSL_VERIFY_REQUIRED );
    
    // 3.2. 配置信任的CA鏈
    mbedtls_ssl_conf_ca_chain( &conf, &cacert, NULL );
    
    // 3.3. 配置系統的亂數發生函式，這里tls_client_random為自己實作的亂數發生函式，
    mbedtls_ssl_conf_rng( &conf, tls_client_random, NULL );
    
    // 3.4. 配置debug函式，這里my_debug為自己實作的debug函式，比如是一個簡單的列印到串口的函式，
    mbedtls_ssl_conf_dbg( &conf, my_debug, NULL );

#if defined(MBEDTLS_SSL_MAX_FRAGMENT_LENGTH)
    // 3.5. 配置SSL的最大分片長度，
    mbedtls_ssl_conf_max_frag_len( &conf, MBEDTLS_SSL_MAX_FRAG_LEN_4096 );
#endif

    // 3.6. 使以上的配置conf對當前SSL連接 ssl 生效，
    mbedtls_ssl_setup( &ssl, &conf )
	
    // 3.7. 為當前SSL連接ssl設定對端的主機名，
    mbedtls_ssl_set_hostname( &ssl, SERVER_NAME )

	// 3.8. 為當前SSL連接ssl設定ssl的I/O函式分別為mbedtls_net_recv/mbedtls_net_send，
    mbedtls_ssl_set_bio( &ssl, &server_fd, mbedtls_net_send, mbedtls_net_recv, NULL );

    // 4. 發起SSL握手
    mbedtls_ssl_handshake( &ssl );

	// 5. 獲得對端證書的認證結果，注意這里只是得到認證結果，真正的認證程序是在上一步SSL握手程序中，
	mbedtls_ssl_get_verify_result( &ssl );


	// 6. 發送資料給對端，SSL握手成功后，SSL連接已經建立，此時可以利用SSL連接
    //    發送出去的資料是被加密和完整性保護的，
    mbedtls_ssl_write( &ssl, buf, len );


	// 7. 從SSL連接中讀取資料，
    do {
    	ret = mbedtls_ssl_read( &ssl, buf, buf_len -1 );
        if( ret == MBEDTLS_ERR_SSL_WANT_READ || ret == MBEDTLS_ERR_SSL_WANT_WRITE )
            continue;
        if( ret == MBEDTLS_ERR_SSL_PEER_CLOSE_NOTIFY )
            break;
        if(ret <= 0)
            break;
        ......
    } while (1);

    // 8. 關閉SSL連接，
    mbedtls_ssl_close_notify( &ssl );

	// 9. 釋放SSL相關資源，
    mbedtls_net_free( &server_fd );
    mbedtls_x509_crt_free( &cacert );
    mbedtls_ssl_free( &ssl );
    mbedtls_ssl_config_free( &conf );
    mbedtls_free(buf);
	......
}

6、Mbed TLS 使用常見問題

1、TLS 握手失敗，Debug訊息顯示"buffer too small ..." 或者 "bad message length"

這可能是TLS訊息出來的I/O buffer小于訊息的長度，通過配置增大I/O buffer即可, 下列通過AliOS Things的menuconfig來配置，Mbedtls Configuration -> TLS/DTLS protocol support -> TLS/DTLS maximum incoming/outgoing content length , AliOS Things默認配置的I/O buffer為4KB，一般擴大到16384 （16KB）可以解決所有的此類問題，

2、支持TLS1.3嗎？

暫不支持TLS1.3, AliOS Things 的Mbeb TLS組件能力與社區的相同版本能力保持一致，目前支持的協議版本：SSL 3.0，TLS 1.0，TLS 1.1，TLS 1.2, DTLS 1.0, DTLS 1.2，現在主流服務器都會向后兼容支持TLS1.2等，不會強制客戶端使用TLS1.3版本，

7、開發者技術支持

如需更多技術支持，可加入釘釘開發者群

更多技術與解決方案介紹，請訪問阿里云AIoT首頁https://iot.aliyun.com/

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