面向物联网的 NGINX Plus：对 MQTT 流量进行加密和身份验证

在关于 NGINX Plus 和物联网（IoT）的系列博文（共两篇）的第一篇中，我们介绍了 NGINX Plus 作为一款支持 TCP 和 UDP 应用的全功能应用交付控制器（ADC），如何提高物联网应用的可用性和可靠性。在第二篇（本文）中，我们将探讨使用 NGINX Plus 来提高物联网安全性的两种方法。

这两篇文章涉及以下用例：

• 对 MQTT 流量进行负载均衡
  • 通过主动健康检查确保高可用性
  • 使用 NGINX JavaScript 实现基于 MQTT ClientId 的会话保持
• 对 MQTT 流量进行加密和身份验证（本文）
  • SSL/TLS 卸载
  • 处理客户端证书以进行 TLS 身份验证

MQTT 服务器的 TLS 卸载

在第一篇文章中的所有用例示例中，所有 MQTT 流量都是明文且未加密。只要物联网设备或物联网网关支持 TLS 加密，提升物联网安全性的最佳方法就是使用 TLS 加密客户端和上游服务器之间传输的 MQTT 数据。加密可在数据穿过公共网络时提供保护，但在拥有数百万台设备的生产环境中，加密会给 MQTT 服务器带来巨大负担。

如图 1 所示，NGINX Plus 可从 MQTT 服务器上卸载与 TLS 加密相关的 CPU 密集型工作负载（通常被称为 SSL 卸载）。这一关注点分离做法允许负载均衡层和 MQTT 数据处理层独立扩展，而且只需对 MQTT 测试环境进行简单修改。

（与在第一篇文章中一样，我们使用 Mosquitto 命令行工具作为客户端，并使用在 Docker 容器内运行的 HiveMQ 作为 MQTT 代理。 有关安装说明，请参阅第一篇文章中的“创建测试环境”一节。）

为 NGINX Plus 实例提供 TLS 证书密钥对后，我们可以使用来自流式 SSL 模块的指令来启用 TLS 卸载。

server {    listen 8883 ssl; # MQTT 安全端口 
    preread_buffer_size 1k;
    js_preread getClientId;

    ssl_certificate     /etc/nginx/certs/my_cert.crt;
    ssl_certificate_key /etc/nginx/certs/my_cert.key;
    ssl_ciphers         HIGH:!aNULL:!MD5;
    ssl_session_cache   shared:SSL:128m; # 128MB 约等于 50 万个会话 
    ssl_session_tickets on;
    ssl_session_timeout 8h;

    proxy_pass hive_mq;
    proxy_connect_timeout 1s;

    access_log /var/log/nginx/mqtt_access.log mqtt;
    error_log  /var/log/nginx/mqtt_error.log info; # NGINX JavaScript 调试日志记录 
}

除了第 2 行指定了安全 MQTT 流量的标准端口号为 8883，以及添加了第 6 到 11 行以配置服务器来终止客户端的 TLS 连接以外，该 server 代码块与上一篇博文中的会话保持配置完全相同。如何获取和安装证书不在本文讨论范围之内，因为生产物联网部署通常使用自己的公钥基础设施（PKI）。本文也不会详述与 TLS 相关的指令。有关 TLS 卸载的更多信息，请参阅《NGINX Plus 管理指南》。

完成此配置后，我们就可以使用 Mosquitto MQTT 客户端发布加密信息。请注意，我们指定了安全 MQTT 端口（8883）和一个包含证书颁发机构公钥的文件——证书颁发机构在我们的 NGINX 实例 （cafile.pem）上颁发服务器证书。

$ mosquitto_pub -d -h mqtt.example.com -t "topic/test" -m "test123" -i "thing001" -p 8883 --cafile cafile.pemClient thing001 sending CONNECT
Client thing001 received CONNACK
Client thing001 sending PUBLISH (d0, q0, r0, m1, 'topic/test', ... (7 bytes))
Client thing001 sending DISCONNECT
$ tail --lines=1 /var/log/nginx/mqtt_access.log
192.168.91.1 [23/Feb/2017:11:41:56 +0000] TCP 200 23 4 127.0.0.1:18832 thing001

使用客户端证书对 MQTT 客户端进行身份验证

[编者按 – NGINX JavaScript 模块的用例有很多，以下用例只是其中之一。如欲获取完整列表，请访问 NGINX JavaScript 模块的用例。本文已更新，为 NGINX JavaScript 0.2.4 中引入的 Stream 模块使用了重构的会话对象。]

尽管 MQTT 在物联网用例中大获成功并被广泛采用，但该协议本身在验证客户端身份方面的功能非常有限。我们通过在 MQTT CONNECT 数据包中使用用户名和密码字段来支持身份验证，但实际上这很难管理。

虽然 MQTT 规范并不正式支持 X.509 客户端证书，但 X.509 客户端证书常常被用于客户端身份验证，而且与 TLS 加密结合使用时尤其有用，支持双向身份验证：

• 客户端验证服务器身份
• 服务器验证客户端身份

NGINX Plus 可以组合使用 TLS 卸载与客户端证书身份验证，在这种情况下，MQTT 客户端就必须提供证书，而且证书通用名（CN）必须与 MQTT ClientId 匹配。通过将 ClientId 链接至 X.509 证书，MQTT 服务器可确保接收到的消息来自真实可信的设备。

用于 MQTT 客户端身份验证的 NGINX Plus 配置

针对此用例，我们扩展了上一节中的 NGINX Plus 配置（以启用客户端证书身份验证）和上一篇文章中的 NGINX JavaScript 代码（以匹配证书 CN 与 ClientId）。在 server 代码块中添加以下配置片段即可启用客户端证书身份验证。

    ssl_verify_client on; # 客户端必须提供证书    ssl_verify_depth 2;   # 如果存在中间证书颁发机构
    ssl_client_certificate /etc/nginx/certs/cafile.pem; # 客户端证书的颁发机构

ssl_verify_client 指令指示 NGINX 客户端必须出示证书。在本例中，客户端证书由中间证书颁发机构颁发，因此我们使用了 ssl_verify_depth 指令来指示 NGINX 验证两级颁发机构证书。ssl_client_certificate 指令指定了向客户端颁发证书的证书颁发机构（CA）的公共证书在磁盘上的位置；NGINX 在客户端身份验证过程中使用公共 CA 证书。

用于 MQTT 客户端身份验证的 JavaScript 代码

最后，我们扩展了 NGINX JavaScript 代码（mqtt.js），该代码是我们在上一篇文章中专为讨论会话保持用例而创建的。新增代码可验证 CONNECT 数据包中显示的 MQTT ClientId 是否与发送到同一客户端的证书中的 CN 具有相同的值。

 1 function parseCSKVpairs(cskvpairs, key) {
 2    if ( cskvpairs.length ) {
 3       var kvpairs = cskvpairs.split(',');
 4       for ( var i = 0; i < kvpairs.length; i++ ) {
 5           var kvpair = kvpairs[i].split('=');
 6           if ( kvpair[0].toUpperCase() == key ) {
 7               return kvpair[1];
 8           }
 9       }
10    }
11    return ""; // Default condition
12 }

我们添加了 parseCSKVpairs 函数以从 X.509 证书中提取 CN 值。它由另一个函数（getClientId
函数）调用，因此在文件中必须位于后者的前面。

14 var client_messages = 1;15 var client_id_str = "-";
16
17 function getClientId(s) {
18    s.on('upload', function (data, flags) {
19         if ( data.length == 0  ) {  // Initial calls may contain no data, so
20             s.log("No buffer yet"); // ask that we get called again
21             //s.done(1);            // (supposing that code=1 means that)
22             return;
23         } else if ( client_messages == 1 ) { // Connect is first packet from the client
24             // Connect packet is 1, using upper 4 bits (00010000 to 00011111)
25             var packet_type_flags_byte = data.charCodeAt(0);
26             s.log("MQTT packet type+flags = " + packet_type_flags_byte.toString());
27             if ( packet_type_flags_byte >= 16 && packet_type_flags_byte < 32 ) {
28                 // Calculate remaining length with variable encoding scheme
29                 var multiplier = 1;
30                 var remaining_len_val = 0;
31                 var remaining_len_byte;
32                 for (var remaining_len_pos = 1; remaining_len_pos < 5; remaining_len_pos++ ) {
33                     remaining_len_byte = data.charCodeAt(remaining_len_pos);
34                     if ( remaining_len_byte == 0 ) break; // Stop decoding on 0
35                     remaining_len_val += (remaining_len_byte & 127) * multiplier;
36                     multiplier *= 128;
37                 }
38
39                 // Extract ClientId based on length defined by 2-byte encoding
40                 var payload_offset = remaining_len_pos + 12; // Skip fixed header
41                 var client_id_len_msb = data.charCodeAt(payload_offset).toString(16);
42                 var client_id_len_lsb = data.charCodeAt(payload_offset + 1).toString(16);
43                 if ( client_id_len_lsb.length < 2 ) client_id_len_lsb = "0" + client_id_len_lsb;
44                 var client_id_len_int = parseInt(client_id_len_msb + client_id_len_lsb, 16);
45                 client_id_str = data.substr(payload_offset + 2, client_id_len_int);
46                 s.log("ClientId value  = " + client_id_str);

第 14 到 45 行中的 getClientId 函数与我们专为会话保持用例而创建的 mqtt.js 文件中的第 1 到 32 行相同。

47                 // If client authentication then check certificate CN matches ClientId48                 var client_cert_cn = parseCSKVpairs(s.variables.ssl_client_s_dn, "CN");
49                 if ( client_cert_cn.length && client_cert_cn != client_id_str ) {
50                     s.log("Client certificate common name (" + client_cert_cn + ") does not match client ID");
51                     return s.ERROR; // Close the TCP connection (logged as 500)
52                 }
53             } else {
54                 s.log("Received unexpected MQTT packet type+flags: " + packet_type_flags_byte.toString());
55             }
56         }
57         client_messages++;
58     }
59     return s.OK;
60 }
61
62 function setClientId(s) {
63     return client_id_str;
64 }

第 48 到 49 行涉及 ClientId 与证书 CN 的匹配。CN 本身包含在证书的 subject distinguished name 中，其值可从 $ssl_client_s_dn 变量中获取。 NGINX JavaScript 可通过 s.variables 对象访问所有 NGINX 变量。该变量包含大量属性，显示为用逗号分隔的键值对列表。

最后几行（53 到 64 行）与用于会话保持用例的 mqtt.js 文件中的第 34 到 45 行相同。

测试 MQTT 客户端身份验证

完成此配置后，我们即可使用 Mosquitto 客户端向测试环境发送经过身份验证和加密的消息。我们可通过运行此 openssl x509(1) 命令检查发送给 thing001 的证书密钥对。

$ openssl x509 -subject -noout < thing0001.crtsubject= /C=GB/L=Cambridge/O=example.com/OU=Example CA/CN=thing001

现在，我们可以将此证书密钥对提供给测试环境。

$ mosquitto_pub -d -h mqtt.example.com -t "topic/test" -m "test123" -i "thing001" -p 8883 --cafile cafile.pem --cert thing0001.crt --key thing0001.keyClient thing001 sending CONNECT
Client thing001 received CONNACK
Client thing001 sending PUBLISH (d0, q0, r0, m1, 'topic/test', ... (7 bytes))
Client thing001 sending DISCONNECT
$ tail --lines=1 /var/log/nginx/mqtt_access.log
192.168.91.1 [24/Feb/2017:14:37:08 +0000] TCP 200 23 4 127.0.0.1:18832 thing001

如果试图建立连接的客户端提供的 ClientId 与我们的证书不匹配，或者根本无法提供证书，NGINX Plus 将立即终止连接，这样未经身份验证的消息永远都不会到达上游 MQTT 服务器。因此，NGINX Plus 能够为 MQTT 服务器提供额外的保护，拒绝来自恶意或错误客户端的连接。

$ mosquitto_pub -d -h mqtt.example.com -t "topic/test" -m "test123" -i "BADTHING" -p 8883 --cafile cafile.pem --cert thing0001.crt --key thing0001.keyClient BADTHING sending CONNECT
Error: The connection was lost.
$ mosquitto_pub -d -h mqtt.example.com -t "topic/test" -m "test123" -i "NOCERT" -p 8883 --cafile cafile.pem
Client NOCERT sending CONNECT
Error: The connection was lost.
$ tail --lines=2 /var/log/nginx/mqtt_access.log
192.168.91.1 [24/Feb/2017:14:37:16 +0000] TCP 500 0 0 - BADTHING
192.168.91.1 [24/Feb/2017:14:42:16 +0000] TCP 500 0 0 - -

结语

使用 NGINX Plus 从 MQTT 服务器卸载加密和身份验证工作负载，可提升物联网安全性，并改善物联网部署的整体性能和流量容量。欢迎大家在下方评论区与我们分享有关 NGINX Plus、NGINX JavaScript、IoT 或其他方面的用例。

如欲试用 NGINX JavaScript 和 NGINX Plus，请立即申请 30 天免费试用或联系我们讨论您的物联网项目。