mbedtls与CoAP：约束应用协议的DTLS安全通信实现

mbedtls与CoAP：约束应用协议的DTLS安全通信实现

【免费下载链接】mbedtls An open source, portable, easy to use, readable and flexible TLS library, and reference implementation of the PSA Cryptography API. Releases are on a varying cadence, typically around 3 - 6 months between releases. 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/mb/mbedtls

1. 嵌入式设备的安全通信挑战

在物联网（IoT）和边缘计算场景中，嵌入式设备通常面临计算资源有限、网络带宽受限的问题。传统的HTTPS/TLS协议由于握手过程复杂、资源消耗大，难以满足这类设备的需求。CoAP（Constrained Application Protocol，约束应用协议）作为专为低功耗、低带宽设备设计的应用层协议，配合DTLS（Datagram Transport Layer Security，数据报传输层安全）协议，能够为嵌入式设备提供轻量级的安全通信保障。mbedtls作为一款开源、可移植、易用的TLS库，为CoAP over DTLS的实现提供了理想的解决方案。

2. mbedtls的DTLS支持

mbedtls库原生支持DTLS协议，提供了完整的DTLS握手和数据传输功能。在mbedtls中，DTLS的实现主要通过library/ssl_tls.c文件中的相关函数完成，包括握手过程、加密解密、数据校验等。同时，mbedtls还提供了专门的DTLS客户端和服务器示例程序，如programs/ssl/dtls_client.c和programs/ssl/dtls_server.c，开发者可以基于这些示例快速构建自己的DTLS应用。

2.1 DTLS客户端实现

mbedtls提供了fuzz_dtlsclient.c示例程序，展示了DTLS客户端的基本实现方法。该程序位于programs/fuzz/fuzz_dtlsclient.c路径下，主要包含以下步骤：

1. 初始化SSL上下文和配置：

mbedtls_ssl_init(&ssl);
mbedtls_ssl_config_init(&conf);
if (mbedtls_ssl_config_defaults(&conf,
                                MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT,
                                MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_DATAGRAM,
                                MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT) != 0) {
    goto exit;
}

2. 配置证书验证模式：

mbedtls_ssl_conf_authmode(&conf, MBEDTLS_SSL_VERIFY_NONE);

3. 设置随机数生成器：

mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg);
mbedtls_entropy_init(&entropy);
if (mbedtls_ctr_drbg_seed(&ctr_drbg, dummy_entropy, &entropy,
                          (const unsigned char *) pers, strlen(pers)) != 0) {
    goto exit;
}

4. 建立DTLS握手：

ret = mbedtls_ssl_handshake(&ssl);
if (ret == 0) {
    // 握手成功，进行数据传输
}

2.2 DTLS服务器实现

与客户端相对应，mbedtls提供了dtls_server.c示例程序，位于programs/ssl/dtls_server.c路径下。该程序展示了DTLS服务器的基本实现，包括上下文初始化、证书配置、握手处理和数据传输等功能。

3. CoAP与DTLS的集成

CoAP协议通常基于UDP传输，而DTLS协议为UDP提供了安全保障。mbedtls的DTLS实现可以直接与CoAP协议栈集成，为CoAP消息提供加密和认证功能。集成过程主要包括以下几个步骤：

3.1 配置mbedtls

首先，需要在mbedtls的配置文件include/mbedtls/mbedtls_config.h中启用DTLS相关功能：

#define MBEDTLS_SSL_PROTO_DTLS
#define MBEDTLS_SSL_CLI_C
#define MBEDTLS_SSL_SRV_C
#define MBEDTLS_ENTROPY_C
#define MBEDTLS_CTR_DRBG_C
#define MBEDTLS_TIMING_C

3.2 CoAP消息的DTLS封装

在CoAP协议中，每个CoAP消息都需要通过DTLS进行加密和封装。mbedtls提供了mbedtls_ssl_write和mbedtls_ssl_read函数，用于DTLS数据的发送和接收。以下是一个简单的示例：

// 发送CoAP消息
unsigned char coap_msg[] = "CoAP message";
int ret = mbedtls_ssl_write(&ssl, coap_msg, sizeof(coap_msg));
if (ret < 0) {
    // 发送失败处理
}

// 接收CoAP消息
unsigned char buf[4096];
ret = mbedtls_ssl_read(&ssl, buf, sizeof(buf));
if (ret > 0) {
    // 处理接收到的CoAP消息
}

3.3 安全配置最佳实践

为了确保CoAP over DTLS的安全性，建议采用以下配置：

1. 使用合适的加密套件：选择支持前向保密的加密套件，如TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256。
2. 启用证书验证：在生产环境中，应启用严格的证书验证，确保通信双方的身份合法性。
3. 设置合理的超时时间：DTLS握手过程中，设置合理的超时时间，避免因网络延迟导致的连接失败。

4. 应用示例：基于mbedtls的CoAP安全通信

以下是一个基于mbedtls的CoAP over DTLS通信示例，展示了客户端和服务器之间的安全通信过程。

4.1 客户端代码片段

#include "mbedtls/ssl.h"
#include "mbedtls/entropy.h"
#include "mbedtls/ctr_drbg.h"

// 初始化DTLS客户端
int dtls_client_init(mbedtls_ssl_context *ssl, mbedtls_ssl_config *conf) {
    mbedtls_entropy_context entropy;
    mbedtls_ctr_drbg_context ctr_drbg;
    const char *pers = "dtls_client";

    mbedtls_ssl_init(ssl);
    mbedtls_ssl_config_init(conf);
    mbedtls_entropy_init(&entropy);
    mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg);

    if (mbedtls_ctr_drbg_seed(&ctr_drbg, mbedtls_entropy_func, &entropy,
                              (const unsigned char *) pers, strlen(pers)) != 0) {
        return -1;
    }

    if (mbedtls_ssl_config_defaults(conf,
                                    MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT,
                                    MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_DATAGRAM,
                                    MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT) != 0) {
        return -1;
    }

    mbedtls_ssl_conf_authmode(conf, MBEDTLS_SSL_VERIFY_REQUIRED);
    mbedtls_ssl_conf_rng(conf, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg);

    if (mbedtls_ssl_setup(ssl, conf) != 0) {
        return -1;
    }

    return 0;
}

// 发送CoAP消息
int coap_send(mbedtls_ssl_context *ssl, const unsigned char *msg, size_t len) {
    return mbedtls_ssl_write(ssl, msg, len);
}

// 接收CoAP消息
int coap_recv(mbedtls_ssl_context *ssl, unsigned char *buf, size_t len) {
    return mbedtls_ssl_read(ssl, buf, len);
}

4.2 服务器代码片段

#include "mbedtls/ssl.h"
#include "mbedtls/entropy.h"
#include "mbedtls/ctr_drbg.h"
#include "mbedtls/x509_crt.h"

// 初始化DTLS服务器
int dtls_server_init(mbedtls_ssl_context *ssl, mbedtls_ssl_config *conf, mbedtls_x509_crt *cert, mbedtls_pk_context *key) {
    mbedtls_entropy_context entropy;
    mbedtls_ctr_drbg_context ctr_drbg;
    const char *pers = "dtls_server";

    mbedtls_ssl_init(ssl);
    mbedtls_ssl_config_init(conf);
    mbedtls_entropy_init(&entropy);
    mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg);

    if (mbedtls_ctr_drbg_seed(&ctr_drbg, mbedtls_entropy_func, &entropy,
                              (const unsigned char *) pers, strlen(pers)) != 0) {
        return -1;
    }

    if (mbedtls_ssl_config_defaults(conf,
                                    MBEDTLS_SSL_IS_SERVER,
                                    MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_DATAGRAM,
                                    MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT) != 0) {
        return -1;
    }

    mbedtls_ssl_conf_authmode(conf, MBEDTLS_SSL_VERIFY_REQUIRED);
    mbedtls_ssl_conf_rng(conf, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg);
    mbedtls_ssl_conf_cert(conf, cert, key);

    if (mbedtls_ssl_setup(ssl, conf) != 0) {
        return -1;
    }

    return 0;
}

5. 总结与展望

mbedtls为CoAP协议提供了可靠的DTLS安全保障，通过轻量级的实现和灵活的配置，满足了嵌入式设备的安全通信需求。未来，随着物联网技术的不断发展，mbedtls将继续优化DTLS的性能和安全性，为更多的约束应用场景提供支持。

官方文档：docs/index.rst DTLS客户端示例：programs/ssl/dtls_client.c DTLS服务器示例：programs/ssl/dtls_server.c mbedtls配置文件：include/mbedtls/mbedtls_config.h

【免费下载链接】mbedtls An open source, portable, easy to use, readable and flexible TLS library, and reference implementation of the PSA Cryptography API. Releases are on a varying cadence, typically around 3 - 6 months between releases. 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/mb/mbedtls