mbedtls基础及其应用

最新推荐文章于 2025-10-19 21:13:03 发布

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#嵌入式 #物联网

本文介绍了SSL/TLS加密协议的历史、演化过程，包括明文、对称加密、非对称加密、公证和TLS协议时代。重点讲解了适用于嵌入式设备的mbedtls，涵盖其软件包、结构、demo流程，还阐述了mbedtls移植时在网络接口、内存管理等方面的要点，指出其在物联网数据安全中的应用前景。

摘要
SSL/TLS加密的介绍，重点是mbedtls的基础以及移植说明。

1、引言

1.1 为什么要加密

互联网是开放环境，通信双方都是未知身份，为通信双方的有效信息不被第三方窃听、篡改或者被冒充身份进行通信，需要为信息加上保护措施。也就是对所有信息都进行加密，避免被第三方窃听；采用校验机制，可以识别出信息是否被篡改，配备身份认证防止被冒充身份。互联网的通信安全，就是建立在SSL/TLS协议之上。

1.2 SSL/TLS协议的历史

1996年，在前面的基础上，SSL 3.0版问世并得到大规模应用；

1999年，互联网标准化组织ISOC接替NetScape公司，发布了SSL的升级版TLS 1.0版，也称为SSL 3.1；SSL和TLS指的是同一套加密协议，只是不同时期的名字差异。

2006年和2008年，TLS进行了两次升级，分别为TLS 1.1版和TLS 1.2版。

一般推荐使用TLS 1.2，主流的浏览器都支持。

2、SSL/TLS演化

熟悉一套技术的演进步骤，比直接看最新版本，更容量理解。

2.1 明文时代

小帅向小美发送信息，直接以明文形式发送。
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缺点显而易见，第三方小黑很容易就窃取到信息，也可以进行篡改后发给小美，而且小美收到后并不知情，以为是小帅发来的。

2.2 对称加密时代

小帅和小美保存一份相同的秘钥，小帅发出的信息先经过加密，小美收到后使用同样的密码进行解密。这种加密和解密使用同一个密钥的算法称为对称加密算法。
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短期内小黑对加密数据无能为力，但是每次变更秘钥需要事先协商，如果协商出问题，小帅告知小美新秘钥时，秘钥被小黑截取，那后续的密文对小黑来说，他也可以解密成明文。也可以篡改明文信息后，再使用同样的秘钥加密后发给小美。

2.3 非对称加密时代

既然进行秘钥交换存在风险，小帅和小美采用非对称加密算法。双方各自保存私钥、公钥，两者配对，私钥自己保存，公钥由私钥运算生成发给对方，不能由公钥反推算出私钥；但是使用公钥加密的密文，却可以使用私钥解密；使用私钥签名，使用公钥验证；这种加密和解密使用不同的密钥的算法成为非对称加密算法。
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通信前，双发先将自己的公钥发给对方，私钥保密；小帅先使用小美提供的公钥加密数据，同时也使用自己的私钥进行签名标记，一起打包后发给小美，小美使用自己的私钥进行解密，再使用小帅的公钥进行验证，确认收到的信息是否来自小帅。
这种形式的加密通信，协商传输的是公钥，即使被小黑截取，他也不能解密后续的信息，因为解密得使用私钥。
但是百密一疏，如果小黑子在最初交互公钥时，截取公钥，把小帅发给小美的公钥截取，把自己的假公钥发给小美；截取小美发出的数据，小黑用自己的私钥解密，然后再使用自己的私钥加密后发给小帅。
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整了这么复杂的一套加密协议，结果还是存在隐患。

2.4 公证时代

问题就出在公钥交换，小美收到一份公钥，如何证明这公钥确实是小帅发出的？譬如买房，只有房管局确认盖章导入系统的房产证，才是真的房产证，才能放心进行交易。通过CA（Certificate Authority）证书颁发机构来保证公钥的真实性，为公钥的真实性进行担保公证。

CA也是基于非对称加密算法，小帅先先把自己的公钥交给CA，CA用自己的私钥加密这些数据，加密完的数据称为小帅的数字证书，先前小帅发给小美的公钥，改为发送CA加密之后的数字证书。小美收到以后，通过CA发布的CA证书（包含了CA的公钥），来解密小帅的数字证书，从而获得小帅的公钥。
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问题是小美怎么确保CA证书不是小黑伪造的？CA证书是提前预置在浏览器或操作系统，或者嵌入式设备内，不需要联网获取，自然也不存在劫持篡改的问题。

虽然小黑还是可以拦截带公钥的数字签名证书，可以用CA公钥解密看到内容；但是他没CA的秘钥，无法伪造出正确的数字签名证书，也就是小帅的真实公钥小黑可见不可改，改了小美会发现异常，但只有公钥并没什么价值。

2.5 TLS协议时代

公证时代的解决方案就是SSL/TLS协议加密通信基础。
因为使用非对称加密算法比对称加密算法要复杂，消耗运算资源，为考虑效率，非对称加密只会用来传递一条信息，即对称加密的密钥。对称加密的密钥确定，后续有效信息使用对称加密算法进行网络传输。既保证了网络通信的安全性，又不影响效率。

SSL/TLS协议的基本过程：
1、通过CA体系交换公钥
2、使用非对称加密算法，交换用于对称加密的密钥
3、有效数据使用对称加密算法，进行密文传输
前两步又称为"握手阶段"（handshake）,是SSL/TLS加密通信的基础。

2.6 TLS的应用

在SSL/TLS出现之前，很多应用层协议（http、ftp、smtp等）都存在着网络安全问题。最常见的http协议，在传输过程中使用的是明文信息，传输报文一旦被截获便会泄露传输内容；传输过程中报文如果被篡改，对方无法轻易发现；无法保证消息交换的对端身份的可靠性。为了解决此类安全问题，在应用层和传输层之间加入了SSL/TLS协议，升级为https。SSL/TLS目前已经广泛用于数据安全协议。关于SSL/TLS有很多开源软件包，如openSSL,mbedtls等。openSSL功能更强大，mbedtls小巧更适合嵌入式设备。

3、 mbedtls

随着物联网的发展，设备节点的安全问题也越来越重要，相比互联网的openSSL，物联网的嵌入式设备适合小巧灵活的MbedTLS，曾用名PolarSSL，可以根据需求进行配置，降低对硬件资源的消耗。mbedtls内置了非常多的加密解密，散列算法源码，即使不使用tls加密，也从里面挖掘各种算法，诸如AES/RSA/MD5等。但是openSSL功能更强大，

mbedtls是一款采用Apache 2.0许可证协议开源软件加密库，使用标准C语言编写；独立的模块设计，降低模块之间的耦合度。从功能上看，主要包括加密库、X509证书、SSL/TLS协议三部分。