密码技术与物联网安全：mbedtls开发实战

紧扣物联网安全发展趋势，详解物联网开发利器mbedtls

徐凯崔红鹏 / 机械工业出版社 / 2019-03 / 其他

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密码技术与物联网安全：mbedtls开发实战
作者: 徐凯崔红鹏

出版社: 机械工业出版社

出版时间: 2019-03

版次: 1

ISBN: 9787111620013

定价: 79.00

装帧: 其他

开本: 16开

纸张: 胶版纸

页数: 368页

字数: 243千字
内容简介：

本书是国内一本理论结合实践的物联网安全书籍，包括数论基础知识、密码学算法、TLS/DTLS协议、物联网安全协议CoAPs等部分。本书试图打破物联网工程师、嵌入式工程师与Web开发工程师之间的知识鸿沟，通过图文并茂的方式说明密码技术与物联网安全。本书具有以下特点： ?密码学算法部分除了理论知识之外，还包括mbedtls示例代码，可以帮助读者更快地理解晦涩难懂的密码技术。本书基于嵌入式硬件平台描述密码学算法性能，通过示例代码分析密码学算法资源消耗情况，并给出实战建议。 ?紧扣物联网安全发展趋势。认证加密算法部分，本书详细描述了认证加密算法CCM模式和GCM模式；椭圆曲线算法部分，本书详细描述了椭圆曲线密码算法的数学基础以及安全原理； ?TLS/DTLS协议部分。本书以物联网终端的角度详细描述TLS/DTLS协议的实现过程，按照密钥交换、密钥计算、对称加密等部分展开，并总结了物联网设备使用TLS/DTLS协议的建议； ?物联网安全协议CoAPs部分。本书详细描述了物联网安全协议CoAPs，CoAPs依赖DTLS协议，它可在占用较少资源的情况下为终端设备提供安全连接能力。

作者简介：

徐凯阿里云IoT开发工程师，花名左相。物联网技术实践者与研究者，对物联网传输协议、物联网安全和物联网数据存储有常深刻的认识与理解。多年嵌入式与物联网系统开发经验，涉猎终端设备，边缘计算与物联网平台等多个领域。编写大量关于物联网应用、物联网操作系统，物联网传输协议相关的技术博文，博文广受好评。著有《IoT开发实战 CoAP卷》。崔红鹏嵌入式软件工程师，现就职于清华大学无锡应用技术研究院——微纳电子与系统芯片实验室。“CPU硬件安全动态监测管控技术”项目组成员，负责密码学算法实现和SDK开发，该项目曾获 “2018年世界互联网大会15项全球领先科技成果”。物联网安全爱好者，对嵌入式系统、密码学技术和安全应用方案有深入研究，积极参与开源项目，为GmSSL和zephyr等开源项目贡献过代码。

目录：

推荐序一

推荐序二

前言

第1章　物联网安全概述 1

1.1　本章主要内容 1

1.2　物联网安全基础 1

1.2.1　物联网安全与互联网安全 1

1.2.2　物联网安全与密码学 2

1.3　密码学安全常识 3

1.3.1　柯克霍夫原则 3

1.3.2　Alice和Bob 4

1.3.3　Eve和Mallory 4

1.4　mbedtls简介 5

1.4.1　密码学工具箱 5

1.4.2　TLS/DTLS协议 6

1.4.3　X.509证书 6

1.5　OpenSSL简介 7

1.5.1　源代码安装 7

1.5.2　命令行工具简介 8

1.5.3　摘要命令 dgst 8

1.5.4　对称加密命令 enc 8

1.5.5　SSL命令 s_server 9

1.6　本章小结 11

第2章　mbedtls入门 12

2.1　本章主要内容 12

2.2　mbedtls 体系结构 12

2.3　Linux mbedtls 安装 13

2.3.1　安装 CMake 13

2.3.2　使用 CMake 安装 mbedtls 14

2.4　Linux mbedtls 示例 17

2.4.1　Base64示例 17

2.4.2　遍历 mbedtls 安全套件 20

2.5　Zephyr OS 简介 24

2.6　Zephyr 开发环境搭建 25

2.7　Zephyr 硬件平台选择 26

2.7.1　资源介绍 27

2.7.2　Ubuntu中安装STLink工具 28

2.8　Zephyr 应用示例开发 28

2.8.1　编写 CMakeLists.txt 29

2.8.2　编写 prj.conf 29

2.8.3　编写 main.c 29

2.8.4　编译与运行 30

2.9　Zephyr mbedtls 示例 31

2.9.1　Base64示例 31

2.9.2　大数运算示例 35

2.10　本章小结 39

第3章　数论基础知识 41

3.1　本章主要内容 41

3.2　素数 42

3.3　模运算 43

3.3.1　模数 43

3.3.2　同余 43

3.3.3　模算术运算 44

3.3.4　模逆运算 44

3.3.5　模重复平方 46

3.4　群 47

3.4.1　群的基本概念 47

3.4.2　循环群 48

3.4.3　子群 49

3.5　域 50

3.5.1　域的基本概念 50

3.5.2　有限域和素域 50

3.5.3　扩展域GF(2m) 52

3.5.4　GF(2m)加法和减法 53

3.5.5　GF(2m)乘法 53

3.5.6　GF(2m)逆操作 55

3.6　欧拉函数 56

3.7　欧拉定理 56

3.8　费马小定理 57

3.9　离散对数 57

3.9.1　模算术–指数 57

3.9.2　模算术–对数 58

3.9.3　离散对数问题 59

3.10　本章小结 59

第4章　单向散列函数 60

4.1　本章主要内容 60

4.2　单向散列函数原理 60

4.2.1　单向散列函数性质 61

4.2.2　单向散列函数应用 62

4.3　单向散列函数的实现方法 63

4.3.1　MD算法家族 63

4.3.2　SHA算法家族 63

4.4　SHA256 详细描述 64

4.4.1　预处理 64

4.4.2　哈希计算 66

4.4.3　具体示例 68

4.5　mbedtls 单向散列应用工具 69

4.5.1　hello 69

4.5.2　generic_sum 69

4.6　mbedtls SHA256示例 70

4.6.1　示例描述 70

4.6.2　示例代码 70

4.6.3　代码说明 72

4.6.4　编译与运行 74

4.7　本章小结 74

第5章　对称加密算法 76

5.1　本章主要内容 76

5.2　对称加密算法原理 76

5.3　分组密码模式 77

5.3.1　ECB（电子密码本）模式 77

5.3.2　CBC（密码分组链接）模式 78

5.3.3　CTR（计数器）模式 79

5.4　PKCS7填充方案 81

5.5　AES算法概述 82

5.6　AES 算法详细说明 84

5.6.1　字节替换 84

5.6.2　行移位 86

5.6.3　列混合 87

5.6.4　轮密钥加法 87

5.6.5　轮密钥生成 88

5.7　AES算法动手实践 90

5.8　mbedtls 对称加密应用工具 91

5.8.1　aescrypto2 91

5.8.2　crypt_and_hash 92

5.9　mbedtls AES示例 93

5.9.1　示例描述 93

5.9.2　示例代码 94

5.9.3　代码说明 96

5.9.4　编译与运行 97

5.10　本章小结 99

第6章　消息认证码 100

6.1　本章主要内容 100

6.2　消息认证码原理 100

6.3　消息认证码实现方法 102

6.3.1　单向散列算法实现 102

6.3.2　分组密码实现 102

6.3.3　认证加密算法实现 102

6.4　HMAC算法 102

6.5　CBC-MAC和CMAC 104

6.5.1　CBC-MAC 104

6.5.2　CMAC 104

6.6　认证加密CCM 106

6.6.1　输入数据格式化 106

6.6.2　认证和加密 108

6.7　认证加密GCM 109

6.7.1　GHASH 110

6.7.2　GCTR 110

6.7.3　认证和加密 111

6.8　mbedtls HMAC示例 112

6.8.1　示例代码 113

6.8.2　代码说明 114

6.8.3　编译与运行 116

6.9　mbedtls GCM 示例 117

6.9.1　示例代码 117

6.9.2　代码说明 119

6.9.3　编译与运行 120

6.10　本章小结 121

第7章　伪随机数生成器 122

7.1　本章主要内容 122

7.2　随机数概述 122

7.3　随机数生成器 123

7.3.1　真随机数生成器 123

7.3.2　伪随机数生成器 124

7.4　CTR_DRBG算法 125

7.4.1　参数情况 125

7.4.2　生成过程 125

7.5　mbedtls 随机数应用工具 126

7.5.1　gen_entropy 126

7.5.2　gen_random_ctr_drbg 127

7.5.3　gen_random_havege 127

7.6　mbedtls CTR_DRBG示例 128

7.6.1　示例代码 128

7.6.2　代码说明 130

7.6.3　编译与执行 131

7.7　mbedtls 大素数生成示例 132

7.7.1　示例代码 133

7.7.2　代码说明 135

7.7.3　编译与执行 135

7.8　mbedtls 自定义熵源接口 136

7.9　本章小结 137

第8章　RSA算法 138

8.1　本章主要内容 138

8.2　RSA算法原理 138

8.3　RSA 算法详细说明 140

8.4　RSA加速技术 141

8.4.1　中国剩余数定理 142

8.4.2　动手实践 142

8.4.3　性能对比 143

8.5　RSA 填充方法 144

8.5.1　PKCS1-V1_5 144

8.5.2　OAEP 145

8.6　mbedtls RSA应用工具 146

8.6.1　rsa_genkey 146

8.6.2　rsa_encrypt 147

8.6.3　rsa_decrypt 148

8.7　mbedtls RSA加解密示例 148

8.7.1　示例代码 149

8.7.2　代码说明 151

8.7.3　编译与执行 153

8.8　本章小结 155

第9章　DH密钥协商 156

9.1　本章主要内容 156

9.2　DH密钥协商数学基础 156

9.3　DH密钥协商详细说明 157

9.3.1　DH共享参数 157

9.3.2　DH密钥协商 158

9.3.3　DH具体实践 158

9.3.4　DH密钥协商安全性分析 159

9.4　常用共享参数 161

9.5　mbedtls DH应用工具 162

9.5.1　dh_genprime 163

9.5.2　dh_server 164

9.5.3　dh_client 165

9.6　mbedtls DH示例 165

9.6.1　示例代码 166

9.6.2　代码说明 168

9.6.3　编译与执行 170

9.7　本章小结 172

第10章　ECDH密钥协商 173

10.1　本章主要内容 173

10.2　椭圆曲线定义 173

10.2.1　实数域上的椭圆曲线 174

10.2.2　有限域上的椭圆曲线 175

10.3　椭圆曲线上群操作 176

10.3.1　群操作几何描述 176

10.3.2　群操作代数描述 177

10.3.3　群操作动手实践 178

10.4　椭圆曲线离散对数问题 180

10.5　常用有限域上的椭圆曲线 181

10.6　ECDH密钥协商 183

10.6.1　ECDH共享参数 184

10.6.2　密钥协商过程 184

10.6.3　动手实践 184

10.7　mbedtls椭圆曲线模块 185

10.8　mbedtls ECDH示例 187

10.8.1　示例代码 188

10.8.2　代码说明 190

10.8.3　编译与执行 192

10.9　本章小结 193

第11章　数字签名RSA、DSA和ECDSA 194

11.1　本章主要内容 194

11.2　数字签名原理 194

11.3　RSA 数字签名 196

11.3.1　RSA数字签名详细说明 196

11.3.2　RSA数字签名动手实践 197

11.3.3　RSA签名填充方法 197

11.4　DSA数字签名 199

11.4.1　DSA数字签名详细说明 199

11.4.2　DSA签名动手实践 200

11.5　ECDSA数字签名 201

11.5.1　ECDSA数字签名详细说明 201

11.5.2　ECDSA动手实践 203

11.6　mbedtls 数字签名应用工具 204

11.6.1　rsa_genkey 204

11.6.2　rsa_sign 204

11.6.3　rsa_verify 205

11.7　mbedtls RSA签名示例 205

11.7.1　示例代码 206

11.7.2　代码说明 208

11.7.3　编译与执行 209

11.8　mbedtls ECDSA示例 211

11.8.1　示例代码 211

11.8.2　代码说明 214

11.8.3　编译与执行 215

11.9　本章小结 216

第12章　数字证书X.509 217

12.1　本章主要内容 217

12.2　数字证书原理 217

12.3　X.509证书标准 219

12.3.1　证书结构 219

12.3.2　证书名称 219

12.3.3　证书实例 220

12.4　mbedtls X.509应用工具 224

12.4.1　cert_req 225

12.4.2　req_app 226

12.4.3　cert_write 227

12.4.4　cert_app 229

12.5　mbedtls X.509示例 231

12.5.1　示例代码 232

12.5.2　代码说明 234

12.5.3　编译与执行 236

12.6　本章小结 237

第13章　mbedtls 移植与性能分析 238

13.1　本章主要内容 238

13.2　mbedtls移植 238

13.2.1　时间相关 239

13.2.2　网络相关 240

13.2.3　内存分配相关 241

13.3　mbedtls算法性能说明 243

13.3.1　单向散列函数 243

13.3.2　AES算法 244

13.3.3　AES-GCM和AES-CCM 245

13.3.4　伪随机数生成器 246

13.3.5　RSA 247

13.3.6　DHE和ECDHE 248

13.3.7　ECDSA 248

13.3.8　ECC内存优化 250

13.4　本章小结 253

第14章　TLS 254

14.1　本章主要内容 254

14.2　TLS原理 254

14.2.1　TLS设计目标 256

14.2.2　TLS框架说明 256

14.3　TLS密码套件 257

14.4　TLS记录层协议 258

14.5　密码规格变更协议 260

14.6　警报协议 260

14.7　握手协议 261

14.7.1　握手协议概述 261

14.7.2　完整握手过程 263

14.7.3　会话恢复 270

14.8　TLS密钥交换 271

14.8.1　密钥交换算法对比 271

14.8.2　ECDHE密钥交换 272

14.8.3　ECDH与ECDHE的区别 275

14.9　TLS密钥计算 276

14.9.1　伪随机数生成函数 276

14.9.2　主密钥计算 278

14.9.3　KeyBlock计算 278

14.9.4　密钥计算示例 279

14.10　对称加密 281

14.10.1　分组加密 281

14.10.2　认证加密 284

14.10.3　对称加密示例 285

14.10.4　对称加密结果长度对比 287

14.11　mbedtls TLS应用工具 287

14.11.1　基础示例说明 289

14.11.2　启动 ssl_server2 290

14.11.3　抓取网络数据 290

14.11.4　启动 ssl_client2 291

14.11.5　分析网络数据 291

14.12　构建TLS服务器 293

14.12.1　生成证书 293

14.12.2　编写HTML页面 295

14.12.3　启动s_server 295

14.12.4　验证服务器 29

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为何写作本书2015年，我和本书的另一位作者崔红鹏同在无锡物联网产业研究院从事无线传感网方面的开发工作。那年，物联网概念虽然已被炒作多年，但无论是技术路线还是开发手段都还处于摸索阶段。2015年，共享单车才刚刚出现，nbiot还在协议制定阶段，云计算也没有迎来爆发式增长。当时工作室采购了一套带网络接的stm32f4开发板，我们想利用这块开发板行一次s实验：把stm32f4开发板作为s服务器，用浏览器作为s客户端，通过浏览器访问开发板提供的s服务。我们想将这个嵌入式s实验作为学物联网安全的步。但万事开头难，我们始终没有完成这个嵌入式s实验，冗长的调试信息和复杂的握手过程使我们不知所措。在排错过程中，我们查阅了大量的资料，发现了一个又一个新名词或概念，例如ssl、tls、rsa加密、数字和椭圆曲线等，这些密码学基础知识让我们一头雾水。除了一个又一个新名词或概念之外，我们还了解到“rsa已经被破解了”或“哈希算sha1已经被破解”这些网络传言，这些真真的网络传言让我们在排错过程中束手束脚，生怕使用了不安全的算。经过几天的努力，我们把问题结为“tls握手过程的校验出现了问题”。由于大量基础知识的缺失，我们并没有完成这次s实验。虽然嵌入式s实验并没有成功，但是我们还是结了以下经验教训：1）相对于资源受的物联网终端而言，s协议非常复杂，运行时也需要消耗大量资源。我们也开始思是不是存在更合适的物联网终端的安全连接方案。2）s涉及tls协议和密码学基础知识，这些内容都需要花时间和精力系统学。3）该实验通过polarssl开源组件实现ssl/tls，而ssl/tls正是s的安全传输层。如果要熟练掌握嵌入式s，先需要掌握polarssl。2015年，polar更名为mbedtls，开启了物联网安全应用的新篇章。当时我们还有另外一个共识：要想让物联网设备安全地联网，应该分为两步—，让物联网设备方便地连接网络；第二，让物联网设备安全地连接网络。为了完成“两步走”的步，我在2016年到2017年间编写了本关于物联网专用协议coap的图书—《iot开发实战：coap卷》，这本书解决了物联网设备方便连接网络的问题。coap好比互联网应用中的，而互联网应用不仅有，还有s，我想物联网应用中也应该有coa。2017年到2018年间，三大运营商—中国电信、中国移动和中国联通在大力推nbiot网络建设，市面上出现了各种各样的nbiot模组。2018年3月底，阿里巴巴宣布物联网成为继电商、金融、物流和云计算之后的第5条“主赛道”，从此，物联网入了“云连物”时代。nbiot和云计算的脱颖而出极大地推动了物联网的发展，当百万亿连接不再是遥不可及的梦想时，物联网应用不再满足于“方便”，同时对“安全”也提出了更高的要求。在这种大背景下，2017年6月，我找到了本书的另一位作者崔红鹏，此时他已经在清华大学无锡应用技术研究院从事安全芯片的开发工作。我表示希望结合mbedtls写一本详细描述物联网连接安全的图书，我们很快达成了共识并付诸实践。我已经有编写技术图书的经验，我本以为上一次的成功经验可以使这次图书编写变成一次“愉快的写作之旅”，但是没过多久我发现自己错了。物联网连接安全涉及大量密码学知识，而密码学又涉及很多数学基础知识，例如初等数论和抽象数学等。数学基础知识的缺失使得图书的编写过程举步维艰，我们花费大量的时间学各种数论公式，甚至还研究公式或定理的证明过程。大学之后很少有系统地学数学理论知识的机会，这次特殊的自主学经历让我们深刻体会到了数学的力量，那些经典的公式居然在几百年之后依然发挥着巨大的作用。目标读者本书适合物联网工程师、嵌入式工程师和web开发工程师阅读。对于物联网工程师而言，通过本书可以系统地学物联网安全连接的基础知识。本书借助深入浅出的示例讲解密码学算，这些算是构成物联网连接安全的利器。对于嵌入式工程师而言，本书详细讲解了mbedtls不同模块的使用方，这些使用方可以帮助你构建物联网安全应用。本书还分析各种安全算的性能，这些分析结果将帮助你在实际项目中做出正确的选择。对于web开发工程师而言，通过本书可以从设备角度了解物联网连接安全的条件，在这些条件下，物联网设备不能直接使用互联网应用中常见的安全套件。而言之，本书试图消除物联网工程师、嵌入式工程师与web开发工程师之间的知识鸿沟，在物联网连接安全方面达成共识。如何阅读本书本书主要内容分为三部分。部分：～3章。部分是全书的基础。章主要讲解密码学安全常识、mbedtls和openssl相关基础知识。本书虽然以mbedtls为核心，但在多个章节中使用了openssl工具，所以在章的后面部分将详细讲解openssl的安装和使用方。第2章介绍mbedtls的安装和使用方，由于本书的大多数硬件示例均基于zephyr构建，所以第2章还介绍了zephyr的构建过程和使用方。第3章讲解数论基础知识，包括素数、模运算、群、域和有限域等概念，这些数论知识是密码学
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