KMS-MQTT：一种基于MQTT v5.0、运用加密技术及网络隐写术的强大、高效且轻量级的密钥管理方案

《Computer Networks》：KMS-MQTT: Robust, efficient and lightweight key management scheme over MQTT v5.0 using cryptography and network steganography

　　摘要
物联网技术已渗透到我们的日常生活中，几乎涵盖所有领域，包括医疗保健、交通运输和农业。物联网是由众多异构、自主且相互连接的设备构成的网络，这些设备通过各种通信协议来传输数据。MQTT便是其中一种协议，它具有轻量级、可靠性高的特点，基于发布-订阅模式，但依赖于默认并不安全的TCP协议。由于MQTT在物联网领域的广泛应用，其在数据保密性、完整性、认证性和可用性方面引发了诸多安全问题。现有的部分安全解决方案资源消耗较大，难以在资源受限的环境中部署。本文旨在以最低的开销和能耗为受限的MQTT系统提供安全保障，我们提出了一种新的、强大且高效的MQTT密钥管理方案。该方案结合了加密技术和隐写术，用于保护并隐藏密钥生成过程中的安全参数，这些秘密信息被具体隐藏在CONNECT和CONNACK两种控制包中。非正式分析表明，该方案能够抵御一些常见的攻击；通过BAN逻辑和ProVerif工具进行的正式验证也证明该方案能够实现基本的安全目标。性能评估结果显示，该方案在存储和通信开销方面都具有较高的能效和轻量级特性，非常适合资源极度受限的环境。实验分析进一步证实了可以在CONNECT包的特定字段中隐藏秘密数据。

引言
物联网技术已深入我们的日常生活，几乎存在于所有领域，如医疗保健、交通运输和农业。物联网是由各类设备构成的网络，这些设备被称为“对象”或“事物”，它们具有异构性、自主性，并能连接到互联网，能够彼此之间以及与所在环境进行通信。物联网领域使用了多种通信协议，如SigFox、6LoWPAN、Z-Wave、ZigBee、BLE、RFID或NFC[1]，而最常用的消息传递协议则包括CoAP、AMQP、HTTP和MQTT[2]，这类协议运行在物联网架构的应用层。

MQTT，即消息队列遥测传输协议[3][4]，是一种基于发布-订阅模式的轻量级高效消息传递协议，客户端可在特定主题上发布消息，订阅者则通过代理服务器接收这些消息。MQTT能够在不可靠的系统中实现有效通信[5]，尤其适合资源有限和带宽较低的场合[6]，广泛应用于智能城市、智能家居、智慧农业、医疗保健及交通运输等领域[4][7]。例如在智能交通系统中，客户端是嵌入在车辆中的传感器，而服务器角色则由路侧单元承担，车辆之间以及车辆与路侧单元之间可以共享敏感信息，因此MQTT实现了车对车和车对基础设施的通信，有助于减少交通拥堵和事故，从而提升交通管理效率。在医疗物联网系统中，发送方可能是安装在患者身上的传感器，接收方则是医生或医疗专业人员，而代理服务器则相当于物联网网关。

由于MQTT默认不集成安全机制，其在物联网中的广泛使用带来了严峻的安全挑战，可能成为DoS、DDoS[8]、数据窃取[9]等各类攻击的目标。在智能交通系统中，如果攻击者截获并篡改系统各实体之间交换的敏感数据，可能会增加事故发生率，危及驾驶员的生命；在医疗系统中，若恶意攻击者截获并修改敏感的医疗数据，也会威胁患者的生命安全。

本研究的出发点在于，所有敏感和易受攻击的数据都应得到保护，而MQTT目前依赖SSL/TLS等额外机制来提供安全性[10][11]，但这些机制对于物联网生态系统中的资源受限节点而言过于繁重[12]。因此，本研究旨在提出一种新的、强大且高效的MQTT密钥管理方案，用以保护秘密数据免受攻击。该方案名为KMS-MQTT，结合了加密技术和网络隐写术，在成对密钥生成之前即可保障通信安全。首先，使用对称算法对秘密参数进行加密，然后再将其隐藏在CONNECT和CONNACK两种控制包的未使用字段中。

该方案的主要特点如下：
- **强安全性**：通过结合加密技术与隐写术，既能保障隐私，又能实现高水平的保护。秘密参数会经过加密、哈希处理，再通过网络隐写术隐藏起来。此外，在成对密钥生成前后，客户端与代理服务器之间交换的所有敏感数据都受到保护；
- **轻量高效**：建立安全通道仅需少量消息，因为密钥生成过程主要利用现有的CONNECT和CONNACK控制包，从而节省了大量带宽和能源。同时，密钥是以分布式方式生成的；
- **抗攻击性**：成对密钥会定期更新，以抵御暴力破解等攻击，一旦收到当前序列的新首项或新序列的通用项，密钥就会立即更新；
- **可扩展性**：该方案支持向系统中添加新节点，也可移除现有节点。

该方案可应用于多种受限的MQTT系统，尤其是在医疗物联网领域，可用于保护患者的关键数据免受恶意攻击。

本文结构如下：第2节介绍与MQTT安全及网络隐写术相关的先前研究；第3节简要描述MQTT协议，并探讨在控制包中隐藏秘密数据的可行性；第4节详细阐述所提出的密钥管理方案；第5节对该方案进行正式与非正式分析；第6节从存储和通信开销以及能耗等方面，将KMS-MQTT与其他现有协议进行对比；第7节测试三种常见代理服务器对带隐写功能的CONNECT包的接受率；最后，第8节总结全文并指出未来的研究方向。

相关研究
本节介绍一些与MQTT安全及网络隐写术相关的现有解决方案。
(a) MQTT安全解决方案。由于MQTT应用极为广泛，尤其是在物联网等资源受限环境中，其安全问题十分突出。传统的MQTT标准依赖于TCP协议，而该协议默认不进行加密，数据以明文形式传输。为保障客户端与代理服务器之间的通信安全，MQTT需借助安全套接层技术。

隐写分析
本节简要描述MQTT协议，并研究在控制包的某些字段中隐藏数据的可行性。所选的控制包为连接建立阶段MQTT实体之间交换的CONNECT和CONNACK。

网络模型
MQTT架构由三个主要组成部分构成：发送方、订阅方和代理服务器，如图4所示。从图中可以看出，有两个订阅方对消息M1感兴趣，而只有一个订阅方对消息M2感兴趣。

发送方：他们是发布与特定主题相关消息的客户端，也是数据的来源，例如传感器、树莓派等设备。
订阅方：他们是订阅特定主题以接收已发布消息的客户端。

非正式分析
我们分析了所提方案对多种攻击的抵御能力，包括窃听、暴力破解、中间人攻击、前向保密性与后向保密性以及重放攻击。
**窃听攻击**：攻击者可以被动监听目标系统中各个发送方与接收方之间的数据传输，但由于密钥生成过程中产生的安全参数已被加密并隐藏在两种控制包的特定字段中，因此很难被获取。

性能评估
本节通过Python编程语言进行模拟，评估所提方案的性能。我们将该方案与MQTT标准[3][4]、W.Lan等人的方案[13]、MQTT-E[14]以及第2节中提到的SEEMQTT[15]进行比较。在模拟中，我们构建了一个由一个服务器和N个客户端组成的网络，发送方数量与订阅方数量相等。由于假设服务器具备足够的资源，因此我们仅关注客户端侧的资源开销。

实验分析
本节使用Python编程语言进行模拟，以评估三种知名MQTT代理服务器——Mosquitto、HiveMQ和EMQX——对带隐写功能的CONNECT控制包的接受率。在模拟过程中，我们对CONNECT包的多个字段进行了自定义处理，尤其是那些具备隐藏功能的字段，包括保留标志、协议版本、保持连接指令、请求响应/问题信息以及客户端标识。通过这种自定义方式，我们实现了秘密信息的隐藏。

结论
本文提出了一种新型的、强大且高效的密钥管理方案，旨在为MQTT v5.0协议的通信提供安全保障。该方案结合了加密技术与网络隐写术，用于保护和隐藏两种控制包中的敏感数据。非正式分析表明，该方案能够有效抵御窃听、暴力破解、中间人攻击、前向保密性与后向保密性以及重放攻击等多种常见攻击。

CRediT作者贡献声明
Mohammed Nafi：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、方法设计、研究实施、正式分析、概念构思。
Pascal Poizat：撰写——审稿与编辑、验证、监督指导、方法设计、概念构思。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

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