MQTT传输安全问题浅析

邢赛楠

（湖北大学 计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062）

MQTT传输安全问题浅析

邢赛楠

（湖北大学 计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062）

物联网技术是信息科技发展演进形成的一项全新技术，它将各类设备，比如手机、电脑、可穿戴设备等，通过无线或有线的方式连接到公共网络，以便于人们能够随时随地操控，方便人们的生活。然而，物联网在方便人们生活的同时，在技术上提出了更多挑战，其中，最突出的一个问题便是安全问题，并且该问题是物联网技术革新中发展最慢的一类问题。MQTT协议是由IBM提出的一套物联网传输层协议，该协议基于客户端/服务器架构，具有传输非对称性特点，非常适用于物联网大规模非实时信息传输。通过讨论MQTT的传输安全性问题，提出了一些未来可能的研究方向。

MQTT；物联网；安全性；传输层

物联网（Internet Of Things，IOT）是一项全新的技术，它将各类设备连接到公共网络。国际电信巨头Cisco公司调查得出，预计在2020年，全球将有500亿设备相互连接。物联网推动了从智能家居到智能工业的整个自动化时代，将对人们的生活产生巨大的影响。世界各国都制定了物联网智能战略，比如德国的工业4.0等。我国也出台了相应的宏伟目标，名为“中国制造2025”。工业物联网将是未来科技发展、节能减排、自动化工业的强力推手。

然而，随着越来越多、数以亿计的设备连接入网使用，一系列技术限制和难题也随之而来。其中，最引人关注的问题便是安全问题。在传统的互联网时代，对安全问题的讨论由来已久，不少安全问题已经得到解决。然而这些办法可能在物联网时代不能直接使用，其最大的原因便是，物联网的设备多是轻量级设备，在能耗、尺寸以及计算能力上均多有限制。比如，由于资源受限，传感器网络中广泛使用的安全协议IPsec协议不能在无线传感网络中使用。

此外，物联网时代的设备互联问题也非常关键，各种各样的互联协议层出不穷，比如COAP（ConstrainedApplication Protocol）、MQTT（Message Queue Telemetry Transport）、XMPP（Exensible Messaging and Presence Protocol）等。其中，由OASIS组织提出的MQTT互联协议是一类轻量级协议。该协议已被广泛应用在工业物联网中，比如石油、勘探等领域。

本文重点探讨MQTT传输协议中的安全问题，分析了MQTT的安全传输机制及目前存在的一些技术问题。章节内容划分如下：第一节描述了MQTT协议信息传输架构；第二节探讨了MQTT信息传输存在的安全问题；第三节总结了本文的内容，提出了未来可能的发展方向。

1 MQTT协议信息传输架构

MQTT协议是消息队列电文传输协议的缩写，由IBM在1999年设计并提出，其设计的主要目的是为大量的计算能力有限，工作在低带宽、高延时、不可靠网络的无线传感网络设备或传感器提供一种开放、轻量、快捷的通信协议。MQTT通信架构如图1所示。

图1MQTT通信架构

图2MQTT信息传输帧结构

通常，一例MQTT通信包括2类终端，即MQTT客户端和MQTT服务端。MQTT客户端能够发送或者接收信息，在MQTT中，发送又被称作“发布”，接收又被称作“订阅”。发布者发送一些应用信息，订阅者接收这些信息。MQTT服务端连接所有的内网MQTT客户端，接收发布者发送的信息，并传递这些信息到那些完成信息订阅的MQTT客户端。通常，物联网终端传感器、手机设备等均为MQTT客户端，它们将要广播的信息发布到MQTT服务端。MQTT服务端收到信息后进行汇总分类，然后发送到MQTT订阅者。该种传输模式把复杂运算工作都放在了MQTT服务端，减少了MQTT客户端的工作量，非常适用于资源有限的物联网应用。MQTT信息传输帧结构如图2所示。

MQTT控制帧包含一个固定的头文件和数据流。

MQTT的数据信息遵循分级结构，每一级称为一个标题，每一个标题包含一个名字和一项内容，级与级之间由符号“/”相连接。

2 MQTT安全问题

MQTT支持以下3类QOS模式：①“Fire and Forget”模式，或者称为最多一次模式。在这类模式下，信息可能会丢失。②“Acknowledged delivery”模式，或者称为最少一次模式。在这类模式下，信息传输多次直到信息抵达为止。③“Exactly once”模式，或者称为保证交付模式。在该模式下，信息只传输一次，保证抵达。

虽然后2种模式更加可靠，但是在传输过程中需要增加更多的开销，占用更多的带宽，在一些资源有限制的应用场景中可行性受到制约。目前，MQTT协议并未在安全性问题上提出解决方案，笔者认为其安全问题能够在以下三个方面进行探索：认证，鉴权以及数据加密。认证方面，可以在建立连接后体检鉴权程序，认证过程通过用户名和密码实现。MQTT服务端存储所有MQTT客户端的用户名和密码，秘钥的通信采用密文。

鉴权方面，MQTT服务端对所有MQTT客户端进行分类分级，并制定对应的权限以及能够操作的对象。通过用户名和密码，MQTT服务端能够对所有MQTT客户端进行鉴权。在很多情况下，认证过程和鉴权过程能够合二为一。MQTT数据加密方面，能够在各个层对传输的数据进行加密。例如在传输层，由于MQTT数据传输是基于TCP/IP协议，因此，可以采用TLS进行加密。在数据链路层，可以采用传统的AES算法对数据进行加密。加密过程可以使用硬件加速器实现。

3 结束语

本文探讨了面向物联网应用的MQTT协议以及其安全性问题。可以看到，传统的安全问题解决方案由于其运算量巨大，不能直接适用于资源受限的物联网场景。因此未来的解决方案的方向将在轻量级和安全性能方面达到平衡。不久的将来，越来越多的设备将连接到公共网络，因此，笔者呼吁政府机关以及协议制定机构需要尽快对现有的MQTT协议进行安全性方面的完善。

［1］任享，马跃，杨海波，等.基于MQTT协议的消息推送服务器［J］.计算机系统应用，2014（3）.

［2］盖荣丽，钱玉磊，李鸿彬，等.基于MQTT的企业消息推送系统［J］.计算机系统应用，2015（11）.本文部分参考文献因著录项目不全被删除。

TP393.04

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.017

2095－6835（2018）01－0017－02

〔编辑：刘晓芳〕