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，安全和隱私的因素佔比大約在50%。

1.2、安全風險

著名網絡安全公司SonicWall在其2020年發佈的網絡安全報告中揭露，去年（2019）其記錄的針對IoT智能設備的安全攻擊增長5%，並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，同時作爲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。 那如何輕鬆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、高可伸縮的物聯網操作系統。 AliOS Things 致力於搭建雲端一體化 IoT 基礎設施，具備極致性能、極簡開發、雲端一體、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爲中心，目標是爲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：基於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，後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 是什麼

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

安全算法方面它主要提供了下列功能

對稱加密算法

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

對稱加密算法的工作模式

ECB, CBC, CFB, CTR, GCM, CCM

非對稱加密算法

RSA, DH, ECC, ECDHE, ECDSA

Hash算法

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

隨機數
消息認證算法

HMAC, Poly1305

編碼

ASN.1, BASE64

協議實現方面它提供了TLS/DTLS協議的客戶端和服務端實現，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，適用於資源比較受限的嵌入式設備上。

3.2、Mbed TLS 使用場景

鑑於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對數據進行加密/解密，簽名/驗籤， Hash運算，證書生成/解析，產生隨機數等。

4、Mbed TLS 源碼分析

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標準化後的重新命名。在多種代碼實現中並不區分TLS與SSL的名稱，在API，數據結構中大多都使用SSL的名稱。

4.1、一次握手過程

Mbed TLS的源碼特別多，下面以TLS客戶端的一次TLS握手的代碼實現爲例，來分析一下TLS握手的處理過程。

// 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，循環處理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，在這裏處理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，在這裏處理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狀態和參數和合法性檢查
    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此連接上的數據，防止上一個步驟的數據未完全發出去
    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，隨機數，加密算法套件, 壓縮算法，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算法套件。
           ret = ssl_write_client_hello( ssl );
           break;

       /*
        *  <==   ServerHello
        *        Certificate
        *      ( ServerKeyExchange  )
        *      ( CertificateRequest )
        *        ServerHelloDone
        */
       case MBEDTLS_SSL_SERVER_HELLO:
           // 解析服務端發送過來的server hello報文，處理服務端發來的協議版本，隨機數，session id， 
           // 服務端選擇的加密算法套件，壓縮算法（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:
           // 解析服務端發送過來的server 證書，協議證書，進行證書的合法性檢查，
           // 檢查通過後利用信任的CA證書進行驗證，驗證通過後檢查證書的用途，檢查用途合法後切換狀態到
           // 下一個階 MBEDTLS_SSL_SERVER_KEY_EXCHANGE。
           ret = mbedtls_ssl_parse_certificate( ssl );
           break;

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

       case MBEDTLS_SSL_CERTIFICATE_REQUEST:
           // 解析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纔有這個報文。
           // 客戶端在收到服務端發來的證書請求報文後，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:
           //解析服務度發送的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。消息包括客戶端交換過的重要信息的MAC，此消息是被加密的
           // 重要信息包括客戶端發送的隨機數，KEY交換的材料等， 這個報文的意義在於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後過程的完整性保護。
           ret = mbedtls_ssl_write_finished( ssl );
           break;

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

       case MBEDTLS_SSL_SERVER_CHANGE_CIPHER_SPEC:
           // 解析服務端發送的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:
           // 解析服務端的finished報文，計算之前協商過程重要信息的MAC值，保證之前的協商信息
           // 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，並釋放之前舊的session和傳輸層數據。
           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。秉承的宗旨是儘量少改動，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的實現。
network socket的發送和接受實現。
動態內存的管理。
適應AliOS Things的配置，完整配置文件 components/security/mbedtls/aos/include/mbedtls_config.h 。

爲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，能覆蓋大部分場景。

5、Mbed TLS 使用例程

以一個簡單的TLS客戶端爲例，該TLS客戶端訪問阿里雲物聯網平臺（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;
    ......

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

    // 0. 初始化需要的數據結構，
    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, 設定爲SSL客戶端，採用TCP。
    mbedtls_ssl_config_defaults( &conf,
                    MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT,
                    MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_STREAM,
                    MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT ) ) != 0 )
	
    // 3.1. 配置ssl的認證模式爲需要認證對端。
    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. 配置系統的隨機數發生函數。這裏tls_client_random爲自己實現的隨機數發生函數。
    mbedtls_ssl_conf_rng( &conf, tls_client_random, NULL );
    
    // 3.4. 配置debug函數，這裏my_debug爲自己實現的debug函數，比如是一個簡單的打印到串口的函數。
    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. 爲當前SSL連接ssl設置對端的主機名。
    mbedtls_ssl_set_hostname( &ssl, SERVER_NAME )

	// 3.8. 爲當前SSL連接ssl設置ssl的I/O函數分別爲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。注意這裏只是得到認證結果，真正的認證過程是在上一步SSL握手過程中。
	mbedtls_ssl_get_verify_result( &ssl );


	// 6. 發送數據給對端。SSL握手成功後，SSL連接已經建立，此時可以利用SSL連接
    //    發送出去的數據是被加密和完整性保護的。
    mbedtls_ssl_write( &ssl, buf, len );


	// 7. 從SSL連接中讀取數據。
    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消息顯示"buffer too small ..." 或者 "bad message length"

這可能是TLS消息出來的I/O buffer小於消息的長度，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爲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後兼容支持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，可加入釘釘開發者羣

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

上雲安全，有我守護。初觀HaaS100中AliOS Things系統安全能力

1、智能設備安全考慮

1.1、消費者關注

1.2、安全風險

2、AliOS Things安全能力

3、Mbed TLS 介紹

3.1、Mbed TLS 是什麼

3.2、Mbed TLS 使用場景

4、Mbed TLS 源碼分析

4.1、一次握手過程

4.2、AliOS Things Mbed TLS

5、Mbed TLS 使用例程

6、Mbed TLS 使用常見問題

7、開發者技術支持

linux安裝cuda和cudnn

模擬手機設備：使用 Playwright 實現移動端自動化測試

Mellanox網卡開啓SR-IOV

全面系統的AI學習路徑，幫助普通人也能玩轉AI

HTML 00 Tutorial

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