如何快速安全地將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用連接到 Google Cloud

Google Cloud 之類的企業(yè)級(jí)云服務(wù)為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員提供了各種功能服務(wù)，從可擴(kuò)展虛擬機(jī)服務(wù)到交鑰匙型人工智能 (AI) 應(yīng)用，不一而足。而這些服務(wù)的基本要求則是使用特定的安全方法來建立并維護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與云端之間的安全連接。但是對開發(fā)人員而言，實(shí)施適當(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)制可能會(huì)導(dǎo)致延遲，從而增加本就交期緊迫的設(shè)計(jì)項(xiàng)目的復(fù)雜性。

Microchip Technology的PIC-IoT WG開發(fā)板采用專用安全 IC 構(gòu)建，為 Google Cloud 連接提供交鑰匙型解決方案。該套件使用專用安全 IC，可提供一個(gè)綜合性平臺(tái)，用于加速開發(fā)能夠安全連接到 Google Cloud 服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。本文介紹了安全連接的關(guān)鍵要求，并闡示了開發(fā)人員如何在典型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中使用 PIC-IoT WG 來滿足這些要求。

安全的復(fù)雜性

確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與遠(yuǎn)程主機(jī)服務(wù)器之間安全連接的能力，是全面保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)企業(yè)資源的基礎(chǔ)。對于這些服務(wù)器和其他企業(yè)級(jí)系統(tǒng)可以提供的功能和性能，以資源有限的微控制器和最小內(nèi)存構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備則完全無法提供。若是希冀簡單的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能傳送傳感器數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)操控致動(dòng)器，而出于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身的性質(zhì)局限，即使只是實(shí)現(xiàn)最基本的安全算法，可能也無法達(dá)到處理要求。

安全方法所依賴的基本原則，即突破安全屏障所付出的代價(jià)應(yīng)比屏障保護(hù)的資產(chǎn)價(jià)值更高昂。對于基于算法的安全方法，這意味著解密加密信息或破壞認(rèn)證協(xié)議在計(jì)算方面應(yīng)該是令人望而卻步的。至少，破壞基于算法的安全性應(yīng)當(dāng)需要一定水平的計(jì)算資源和所需時(shí)間，其代價(jià)超過受保護(hù)數(shù)據(jù)或通信通道的價(jià)值或時(shí)效。因此，加密算法試圖將有價(jià)值的數(shù)據(jù)掩藏在一系列復(fù)雜的計(jì)算密集型處理步驟之下，且必須使用密鑰才能解開。例如，廣泛使用的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行多輪循環(huán)處理，各輪循環(huán)均包含數(shù)個(gè)步驟，即首先生成密鑰，然后再進(jìn)行字節(jié)替換、移位和矩陣計(jì)算（圖 1）。

圖 1：為了使解密難以實(shí)現(xiàn)，甚至無法實(shí)現(xiàn)，加密算法專門采用一系列復(fù)雜操作，比如 AES 算法的這個(gè)步驟，將數(shù)據(jù)與私鑰生成的字節(jié)相結(jié)合。（圖片來源：Wikimedia Commons）

對于諸如 AES 一類的對稱加密算法，加密信息接收者需使用相同的密鑰才能解密數(shù)據(jù)。相反，非對稱算法使用一對密鑰，一個(gè)私鑰和一個(gè)公鑰，消除了因使用共享密鑰可能造成的風(fēng)險(xiǎn)，可代價(jià)卻是使計(jì)算變得更為復(fù)雜。采用這種算法時(shí)，發(fā)送者和接收者在交換公鑰的同時(shí)，對各自持有的私鑰保密。因此，其中一方可以使用另一方的公鑰來加密信息，但信息只能使用另一方的私鑰進(jìn)行解密。

為了進(jìn)一步提供保護(hù)，高級(jí)算法會(huì)建立在非對稱公鑰加密算法之上，僅在特定的信息交換會(huì)話期間，才允許安全交換用于加密數(shù)據(jù)的短期共享私鑰?？紤]到這些密鑰交換的關(guān)鍵性，如橢圓曲線 Diffie-Hellman 算法 (ECDH) 等更高級(jí)的算法可將密鑰深深掩藏在復(fù)雜的橢圓曲線計(jì)算之下。諸如傳輸層安全 (TLS) 之類的認(rèn)證協(xié)議通過使用數(shù)字證書，將 Diffie-Hellman 密鑰交換之類的機(jī)制與正式驗(yàn)證方法相結(jié)合；而數(shù)字證書可在公鑰中嵌入來自認(rèn)證機(jī)構(gòu)（CA，可證明證書的真實(shí)性）的可驗(yàn)證數(shù)字簽名。

正如簡要說明所述，安全方法依賴于各層的加密算法和協(xié)議，而最終仍取決于私鑰。雖然這些層次能經(jīng)受住黑客的持續(xù)攻擊，但如若私鑰被發(fā)現(xiàn)了，整個(gè)安全結(jié)構(gòu)頃刻就會(huì)分崩離析。

因此，基于硬件的安全密鑰存儲(chǔ)是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全性的基本要求。此外，這些算法和協(xié)議的計(jì)算復(fù)雜性決定了對專用加密引擎的需求，這些引擎必須能夠?yàn)橘Y源有限的微控制器分擔(dān)復(fù)雜的計(jì)算。

基于硬件的安全

專用安全元件硬件設(shè)備，如 Microchip Technology 的ATECC608ACryptoAuthentication IC，具備保護(hù)密鑰和提高加密算法執(zhí)行速度所需的特性。除了這些特性外，ATECC608A 還提供片上 EEPROM，可安全存儲(chǔ)多達(dá) 16 個(gè)密鑰、證書和其他數(shù)據(jù)，以及其他必要的功能，包括符合 NIST SP 800-90A/B/C 標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

ATECC608A 不僅是一種安全存儲(chǔ)設(shè)備，還可以提高多種算法的執(zhí)行速度，包括用于對稱加密的 AES 和非對稱加密的 ECDH。此外，該器件還支持更高級(jí)別的服務(wù)，包括安全引導(dǎo)（請參閱“使用加密芯片為物聯(lián)網(wǎng)器件設(shè)計(jì)增加安全引導(dǎo)”）。

除了通過分擔(dān)這些算法的執(zhí)行任務(wù)所獲得的直接性能優(yōu)勢之外，ATECC608A 還具備加密引擎、安全存儲(chǔ)和其他功能，將安全性從根本上提升到另一個(gè)層次：密鑰與不受信任的實(shí)體保持隔離。這些實(shí)體包括不特別注重安全性的微控制器、微控制器上運(yùn)行的軟件以及使用軟件的個(gè)人。設(shè)備還能生成私鑰，這為制造或分銷設(shè)施的部署提供更進(jìn)一步的安全性。

與傳統(tǒng)基于軟件的安全方法相比，結(jié)果是減少了威脅向量的數(shù)量。這進(jìn)而支持縱深防御原則，即有效安全策略的核心。

ATECC608A 的這種功能全面集成方式簡化了硬件接口的要求。該器件可作為另一個(gè) I2C 外設(shè)運(yùn)行，甚至可以與其他器件共享微控制器的 I2C 總線，如 Microchip Technology 的MCP9808等數(shù)字傳感器（圖 2）。

圖 2：由于 Microchip Technology 的 ATECC608A CryptoAuthentication IC（左）完全在片上完成安全處理，因此可以提供簡單的 I2C 硬件接口，與其他 I2C 器件一起使用，如 Microchip Technology 的 MCP9808 I2C 數(shù)字溫度傳感器（右）。（圖片來源：Microchip Technology）

然而，就軟件層面而言，ATECC608A 豐富的功能會(huì)使接口復(fù)雜化。Microchip Technology 的CryptoAuthLib庫將接口抽象為一組直觀函數(shù)調(diào)用，可在 CryptoAuthLib 應(yīng)用程序編程接口 (API) 中使用。該庫與 Microchip Technology 的MPLAB X集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 中的相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序和中間件捆綁在一起。雖然 CryptoAuthLib API 和驅(qū)動(dòng)程序可為采用 ATECC608A 的定制設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)元素，但在實(shí)現(xiàn)安全連接到 Google Cloud 所需的完整安全鏈方面，開發(fā)人員仍面臨著其他挑戰(zhàn)。而 Microchip Technology 的 PIC-IoT WG 開發(fā)板也能消除這一障礙。

開發(fā)端到端的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

PIC-IoT 板基于 ATECC608A 和 Microchip Technology 的低成本PIC24FJ128GA70516 位微控制器，這款無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)包含了 Microchip Technology 的ATWINC1510Wi-Fi 模塊、Vishay Semiconductor的TEMT6000X01環(huán)境光傳感器和 MCP9808 I2C 溫度傳感器。此外，開發(fā)人員通過添加數(shù)百種MikroElektronika的Click板提供的傳感器和致動(dòng)器，可以輕松擴(kuò)展硬件基礎(chǔ)平臺(tái)。對于軟件開發(fā)，Microchip Technology 提供了 MPLAB X IDE 及相關(guān)的MPLAB 代碼配置器(MCC) 快速原型開發(fā)工具。

該電路板和相關(guān)軟件可以為基本端到端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用評(píng)估提供交鑰匙型平臺(tái)，而這類應(yīng)用的運(yùn)行建立在物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備與 Google Cloud 服務(wù)的安全連接基礎(chǔ)之上。該套件以獨(dú)特的方法實(shí)現(xiàn)了相互身份驗(yàn)證，即使對于資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也能進(jìn)行驗(yàn)證。使用該方法，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以使用輕型 TLS 服務(wù)來驗(yàn)證 Google 端的連接，并用 JavaScript Object Notation (JSON) Web Token (JWT)，向 Google 服務(wù)器證明自身身份（請參閱“將 IoT 設(shè)備安全連接到云端的更簡單的解決方案”）。除了器件驅(qū)動(dòng)程序、板級(jí)支持包和中間件服務(wù)外，Microchip Technology 還通過 MPLAB 開發(fā)套件，并作為適用于 PIC-IoT 板的完整樣例物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一部分來演示該方法。

通過樣例應(yīng)用程序，開發(fā)人員不僅可以獲得使用云應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，還可以獲得主要云服務(wù)提供商提供的物聯(lián)網(wǎng)專用服務(wù)，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到云端的經(jīng)驗(yàn)。例如，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可通過 Google Cloud IoT Core 訪問 Google Cloud 資源，該 IoT Core 提供了設(shè)備連接、相關(guān)元數(shù)據(jù)管理等所需的一系列服務(wù)（圖 3）。

圖 3：與其他企業(yè)云提供商一樣，Google Cloud 也提供專用服務(wù) Google Cloud IoT Core，旨在滿足將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與云資源結(jié)合相關(guān)的獨(dú)特要求。（圖片來源：Google）

使用云服務(wù)

在后端，Google Cloud IoT Core 使用發(fā)布/訂閱模式，通過數(shù)據(jù)代理為設(shè)備提供對 Google Cloud 高級(jí)資源的訪問權(quán)限。在前端，IoT Core 采用超文本傳輸協(xié)議 (HTTP) 或消息隊(duì)列遙測傳輸 (MQTT)，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備起到了橋接作用。MQTT 是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 的標(biāo)準(zhǔn)消息傳輸協(xié)議，旨在以最小通信帶寬和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備資源運(yùn)行。Microchip Technology 的 PIC-IoT 板軟件應(yīng)用演示了如何采用在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議 (TCP/IP) 套接字連接上運(yùn)行的 MQTT，而該連接采用上述的 TLS/JWT 雙向認(rèn)證方法來確保安全。

建立安全連接后，該軟件采用 MQTT 與 Google Cloud IoT Core 服務(wù)進(jìn)行通信，建立通道或“主題”，用于將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到 Google Cloud 并響應(yīng)來自云服務(wù)的命令。Google 調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備軟件進(jìn)行訂閱，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到表單/devices/{deviceID}/events的指定主題，并在寬泛的events主題下提供了子主題選項(xiàng)。除了設(shè)備管理功能等其他主題外，Google 還指定了/devices/{device-id}/commands主題，可用于將命令從云端發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。Google 甚至提供了一個(gè)全能主題 (/devices/{device-id}/commands/#)，允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接收通過任何子主題發(fā)送的命令。

PIC-IoT 應(yīng)用使用基于定時(shí)器和回調(diào)的可擴(kuò)展軟件架構(gòu)演示了這些不同的程序?；谶@種架構(gòu)，主模塊 (main.c) 只需提供主例程 (main()) 以及用于發(fā)送 (sendToCloud()) 和接收 (receivedFromCloud()) 消息的應(yīng)用級(jí)例程。在進(jìn)入運(yùn)行計(jì)時(shí)器調(diào)度程序的無限循環(huán)之前，main()主例程本身只調(diào)用一對初始化例程，并為用戶例程提供占位符（清單 1）。

復(fù)制void receivedFromCloud(uint8_t *topic, uint8_t *payload) { char *toggleToken = ""toggle":"; char *subString; if ((subString = strstr((char*)payload, toggleToken))) { LED_holdYellowOn( subString[strlen(toggleToken)] == '1' ); } debug_printer(SEVERITY_NONE, LEVEL_NORMAL, "topic: %s", topic); debug_printer(SEVERITY_NONE, LEVEL_NORMAL, "payload: %s", payload); } // This will get called every 1 second only while we have a valid Cloud connection void sendToCloud(void) { static char json[70]; // This part runs every CFG_SEND_INTERVAL seconds int rawTemperature = SENSORS_getTempValue(); int light = SENSORS_getLightValue(); int len = sprintf(json, "{"Light":%d,"Temp":"%d.%02d"}", light,rawTemperature/100,abs(rawTemperature)%100); if (len >0) { CLOUD_publishData((uint8_t*)json, len); LED_flashYellow(); } } #include "mcc_generated_files/application_manager.h" /* Main application */ int main(void) { // initialize the device SYSTEM_Initialize(); application_init(); while (1) { // Add your application code runScheduler(); } return 1; }

清單 1：Microchip Technology 的 PIC-IoT 板樣例應(yīng)用程序使用一系列定時(shí)器和回調(diào)來簡化主循環(huán)，并且開發(fā)人員可輕松添加自己的服務(wù)和應(yīng)用例程。（代碼來源：Microchip Technology）

在進(jìn)入無限循環(huán)之前，調(diào)用SYSTEM_Initialize()例程初始化硬件組件，包括時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、中斷等。application_init()例程初始化各種包括 CryptoAuthentication 庫在內(nèi)的軟件系統(tǒng)，并連接到 Wi-Fi 和云本身。最后，application_init()設(shè)置一個(gè) 100 毫秒 (ms) 的計(jì)時(shí)器來執(zhí)行MAIN_dataTask()。計(jì)時(shí)器到期并調(diào)用MAIN_dataTask()時(shí)，該例程檢查云連接，并且每秒調(diào)用一次sendToCloud()，視具體情況設(shè)置電路板 LED，以指示應(yīng)用的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)（清單 2）。接著，開發(fā)人員可以通過 Microchip Technology 在 Google Cloud 上提供的免費(fèi)沙盒帳號(hào)來查看傳感器值。

復(fù)制// This gets called by the scheduler approximately every 100ms uint32_t MAIN_dataTask(void *payload) { static time_t previousTransmissionTime = 0; // Get the current time.This uses the C standard library time functions time_t timeNow = time(NULL); // Example of how to send data when MQTT is connected every 1 second based on the system clock if (CLOUD_isConnected()) { // How many seconds since the last time this loop ran?int32_t delta = difftime(timeNow,previousTransmissionTime); if (delta >= CFG_SEND_INTERVAL) { previousTransmissionTime = timeNow; // Call the data task in main.c sendToCloud(); } } if(shared_networking_params.haveAPConnection) { LED_BLUE_SetLow(); } else { LED_BLUE_SetHigh(); } if(shared_networking_params.haveERROR) { LED_RED_SetLow(); } else { LED_RED_SetHigh(); } if (LED_isBlinkingGreen() == false) { if(CLOUD_isConnected()) { LED_GREEN_SetLow(); } else { LED_GREEN_SetHigh(); } } // This is milliseconds managed by the RTC and the scheduler, this return makes the // timer run another time, returning 0 will make it stop return MAIN_DATATASK_INTERVAL; }

清單 2：使用定時(shí)器和回調(diào)機(jī)制，Microchip Technology 的 PIC-IoT 樣例應(yīng)用程序每秒向云端發(fā)送一次傳感器數(shù)據(jù) (CFG_SEND_INTERVAL=1)，并更新電路板 LED 狀態(tài)以指示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。（代碼來源：Microchip Technology）

處理來自云端的命令同樣簡單。樣例應(yīng)用程序演示了如何關(guān)聯(lián)回調(diào)例程，例如receivedFromCloud()可用于處理接收到的消息。在初始化階段，上述的application_init()例程調(diào)用例程 (CLOUD_subscribe()) 來執(zhí)行 Google Cloud 訂閱。在此過程中，軟件回調(diào)receivedFromCloud()來更新表格 (imqtt_publishReceiveCallBackTable)（清單 3）。在本例中，樣例應(yīng)用程序使用config主題，并從NUM_TOPICS_SUBSCRIBE=1開始將索引硬編碼到表中，但使用一般命令主題和派生子主題也是另一種選擇。

復(fù)制void CLOUD_subscribe(void) { mqttSubscribePacket cloudSubscribePacket; uint8_t topicCount = 0; // Variable header cloudSubscribePacket.packetIdentifierLSB = 1; cloudSubscribePacket.packetIdentifierMSB = 0; // Payload for(topicCount = 0; topicCount < NUM_TOPICS_SUBSCRIBE; topicCount++) { sprintf(mqttSubscribeTopic, "/devices/%s/config", deviceId); cloudSubscribePacket.subscribePayload[topicCount].topic = (uint8_t *)mqttSubscribeTopic; cloudSubscribePacket.subscribePayload[topicCount].topicLength = strlen(mqttSubscribeTopic); cloudSubscribePacket.subscribePayload[topicCount].requestedQoS = 0; imqtt_publishReceiveCallBackTable[0].topic = mqttSubscribeTopic; imqtt_publishReceiveCallBackTable[0].mqttHandlePublishDataCallBack = receivedFromCloud; MQTT_SetPublishReceptionHandlerTable(imqtt_publishReceiveCallBackTable); } if(MQTT_CreateSubscribePacket(&cloudSubscribePacket) == true) { debug_printInfo("CLOUD: SUBSCRIBE packet created"); sendSubscribe = false; } }

清單 3：Microchip Technology 樣例應(yīng)用程序顯示了開發(fā)人員如何將回調(diào)例程與接收到的 MQTT 消息輕松關(guān)聯(lián)在一起，在本例中，定義receivedFromCloud()函數(shù)來回調(diào)從默認(rèn)主題接收到的消息。（代碼來源：Microchip Technology）

開發(fā)人員可以使用交付的 PIC-IoT 硬件和軟件包，即刻就可開始探索從 Google Cloud 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的各種方案。PIC-IoT 硬件包括 ATECC608A CryptoAuthentication 器件，并且已預(yù)先配置為支持 Google Cloud IoT Core 及此使用模型。開發(fā)人員可以輕松使用 MPLAB X IDE 和 MPLAB 代碼配置器來修改或構(gòu)建安全連接到 Google Cloud 的全新物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

總結(jié)

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)資源之間提供安全連接，對于任何網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境都是極其重要的，對于使用商業(yè)云服務(wù)而言更是必不可少。構(gòu)建安全連接所需的軟件服務(wù)層可能會(huì)致使物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目嚴(yán)重延遲，對于資源有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，甚至難以實(shí)現(xiàn)。使用如 Microchip Technology 的 PIC-IoT 等開發(fā)板（包含專用安全 IC），開發(fā)人員可以快速開發(fā)出能夠安全連接到 Google Cloud 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。