雅特力AT32 MCU基于mbed TLS的HTTPS服务器

 

HTTPS概述

HTTPS的安全性是基于Transport Layer Security (TLS), TLS是一种网络加密通信的方式，作为Secure Sockets Layer (SSL)的接续协议，TLS允许客户端与服务端的互相验证。TLS以凭证为概念，凭证包含：公钥、服务器身份、凭证颁发单位的签名。对应的私钥永远不会公开，任何使用私钥加密的密钥数据只能用公钥来解密，反之亦然。整个加密通信流程，可以透过图1来简单描述：1. 客户端发起hello交握：给服务器的讯息有：

• 包含时间戳的32位随机数字client_random
• 加密协定
• 客户端支持的加密方式

2. 服务端必须要有一套证书，可以自制或向组织申请。自己颁发的证书需要客户端验证通过，才可以继续访问，使用受信任单位申请的证书不会弹出提示页面。3. 一对公钥和私钥，可以想象成一把钥匙(私钥)和一个锁头(公钥)，把锁头给客户端将重要的数据锁起来，客户端将锁好的数据传给服务器，只有服务器有开锁的钥匙可以解开，所以即使传送过程被截取也无法破解。4. 对于客户端的hello交握，服务端响应以下讯息给客户端：

• 另一个包含时间戳的32位随机数字server_random
• 加密协定
• 加密方式
• 服务器证书：包含拥有者名称、网站地址、证书公钥、证书颁发机构数字签名、过期时间等。

5. 客户端验证服务器传来的凭证是否有效？例如颁发机构、过期时间等，如果发现异常，则会弹出一个警告框，提示证书存在问题。(本应用笔记不是使用第三方证书授权中心(CA)签发的凭证，而是使用自己颁发的凭证，所以客户端必须先取得签发机构的公钥(下一节的kvm5.pem)来验证颁发机构签名，才不会弹出警告框)6. 在此之前的所有TLS交握讯息都是明文传送，现在收到服务器的证书且验证没问题，则客户端先产生PreMaster_Secret

• 使用加密算法，例如：RSA, Diffie-Hellman，对server_random运算产生。
• 或称PreMaster_Key
• 是一个48个位的Key，前2个字节是协议版本号，后46字节是用在对称加密密钥的随机数字。

7. 客户端用服务端送来的公钥加密PreMaster_Secret。8. 客户端将加密的PreMaster_Secret传送给服务端，目的是让服务端可以像客户端用一样随机值产生Master_Secret。9. 服务端用私钥解密PreMaster_Secret。

• 此时客户端与服服务端都有一份相同的PreMaster_Secret和随机数client_random, server_random。
• 使用client_random及server_random当种子，结合PreMaster_Secret，客户端和服务端将计算出同样的Master_Secret。
• 作为资料加解密相关的Key Material。

10. 作为资料加解密相关的Key Material。11. 作为资料加解密相关的Key Material。图1. HTTPS原理

例 HTTPS服务器

功能简介

本示例需要使用到EMAC的功能，搭配LwIP协议栈，此协议栈有提供HTTPS的API, 但会使用到mbed TLS的加密功能，这包库从Keil的官方网站或是透过Keil内的Pack Installer可以获得。图2. 透过Run-Time管理器加入mbed TLS

资源准备

1) 硬件环境:对应产品型号的AT-START BOARD2) 软件环境at32f4xx\project\mdk_v5

软件设计

1) 配置流程

• 配置EMAC功能
• 初始化LwIP协议栈
• 配置私钥及CA凭证给服务器
• 初始化HTTPS服务器

2) 代码介绍

• ssl_server函数代码描述

使用OpenSSL建立自签凭证

在本应用笔记中，我们将使用自签凭证来建立TLS联机，而发行自签凭证会使用到OpenSSL这个工具，以下会简单介绍在Windows上及在Linux Ubuntu上，如何安装OpenSSL。

• Windows

因为OpenSSL未提供可执行的安装档，因此我们透过Git for Windows来达到安装OpenSSL的目的；当安装完成后，默认执行文件路径为C:\Program Files\Git\usr\bin\openssl.exe，你可以将C:\Program Files\Git\usr\bin路径加入到PATH环境变量之中，以后就可以直接输入openssl来执行此工具。

• Ubuntu

只需要在终端机中下命令在确定PC上有OpenSSL这个工具后，基本上只要按照以下步骤，就一定可以建立出合法的自签凭证：1. 建立ssl.conf配置文件上述配置文件内容的[dn]区段(Distinguished Name)为凭证的相关信息，你可以自由调整为你想设定的内容，其中O(Organization)是公司名称，OU(Organization Unit)是部门名称，而CN(Common Name)则是凭证名称，你可以设定任意名称，设定中文也可以，但请记得档案要以UTF-8编码存盘，且不能有BOM字符。配置文件的[alt_names]区段，则是用来设定SSL凭证的域名，这部分设定相当重要，如果没有设定的话，许多浏览器都会将凭证视为无效凭证。这部分你要设定几组域名都可以，基本上没有什么上限，因为自签凭证主要目的是用来开发测试之用，因此建议可以把可能会用到的本机域名(localhost)或是局域网络的IP地址都加上去，以便后续进行远程联机测试。2. 打开终端机工具后，切换到存放ssl.conf的目录下后，透过OpenSSL命令产生出自签凭证与相对应的私钥，输入以下命令就可以建立出私钥(server.key)与凭证档案(server.crt)：生成的私钥与凭证档案会跟ssl.conf在同一个目录下。3. 汇入自签凭证到「受信任的跟证书授权单位」光是建立好自签凭证还是不够的，网站服务器也设定正确才行，这毕竟是一个PKI基础架构，你还必须让所有需要安全联机的端点都能互相信任才行，因此你还须将建立好的自签凭证安装到「受信任的跟证书授权单位」之中，这样子你的操作系统或浏览器才能将你的自签凭证视为「可信任的联机」。以下为手动汇入的步骤：

• 开启档案总管，并鼠标双击server.crt档案
• 点击「安装凭证」按钮
• 选取「目前使用者」并按「下一步」继续
• 选取「将所有凭证放入以下的存放区」并按下「浏览」按钮
• 选取「受信任的跟证书授权单位」并按下「确定」
• 按「下一步」继续
• 按「完成」继续
• 在安全性警告窗口按下「是(Y)」即可完成设定

4. 将私钥及凭证汇入到TLS serverTLS server负责解密数据，在本应用笔记中就是MCU端，分别将私钥及凭证填入demo code中的mbedtls_test_srv_key及mbedtls_test_srv_crt即可。

实验效果

• 浏览器的网址以HTTPS开头，且锁头图示为上锁的状态

图3. HTTPS页面