2. X.509证书签发与设备端TLS双向认证

为什么用 X.509 双向认证替代 PSK

PSK 方案中，每台设备与 Broker 共享同一把对称密钥，密钥一旦泄露，攻击者即可冒充设备；且密钥分发、轮换和吊销都依赖人工。X.509 双向认证（mTLS）把信任锚定在 CA 根证书上：设备持有由内部 CA 签发的证书与私钥，Broker 持有 CA 根证书用于验证设备证书链，设备同时验证 Broker 证书。这样每台设备拥有独立密钥对，单台设备泄露不影响其他设备，且可通过 CRL/OCSP 或短有效期实现吊销。

内部 CA 与设备证书签发

使用 OpenSSL 搭建两级结构：根 CA（离线保存）签发中间 CA，中间 CA 签发设备证书。设备证书的 CN 使用设备唯一 ID，SAN 中写入设备 ID，便于 Broker 在认证后提取身份。以下命令在 Linux 上执行，目录结构为 ca/（根）、ca/intermediate/（中间）、certs/（设备证书）。

# 1. 生成根 CA 私钥与自签名证书（有效期 10 年）
openssl genrsa -out ca/rootCA.key 4096
openssl req -x509 -new -nodes -key ca/rootCA.key -sha256 -days 3650 \
  -subj "/C=CN/O=IoT Internal/CN=IoT Root CA" \
  -out ca/rootCA.crt

# 2. 生成中间 CA 私钥与 CSR
openssl genrsa -out ca/intermediate/intermediate.key 4096
openssl req -new -key ca/intermediate/intermediate.key \
  -subj "/C=CN/O=IoT Internal/CN=IoT Intermediate CA" \
  -out ca/intermediate/intermediate.csr

# 3. 用根 CA 签发中间 CA 证书（有效期 5 年，pathlen:0 限制不能再签下级 CA）
openssl x509 -req -in ca/intermediate/intermediate.csr \
  -CA ca/rootCA.crt -CAkey ca/rootCA.key -CAcreateserial \
  -days 1825 -sha256 \
  -extfile <(printf "basicConstraints=critical,CA:TRUE,pathlen:0\nkeyUsage=critical,keyCertSign,cRLSign\n") \
  -out ca/intermediate/intermediate.crt

# 4. 为设备 device-001 生成私钥与 CSR
openssl genrsa -out certs/device-001.key 2048
openssl req -new -key certs/device-001.key \
  -subj "/C=CN/O=IoT Devices/CN=device-001" \
  -out certs/device-001.csr

# 5. 用中间 CA 签发设备证书（有效期 365 天，含 SAN 与 clientAuth 用途）
openssl x509 -req -in certs/device-001.csr \
  -CA ca/intermediate/intermediate.crt -CAkey ca/intermediate/intermediate.key \
  -CAcreateserial -days 365 -sha256 \
  -extfile <(printf "basicConstraints=CA:FALSE\nkeyUsage=critical,digitalSignature,keyEncipherment\nextendedKeyUsage=clientAuth\nsubjectAltName=DNS:device-001\n") \
  -out certs/device-001.crt

# 6. 生成设备证书链（设备证书 + 中间 CA），供 Broker 验证
cat certs/device-001.crt ca/intermediate/intermediate.crt > certs/device-001-chain.crt

证书链与信任关系

下图展示根 CA、中间 CA、设备证书与 Broker 之间的签发与验证关系。Broker 用根 CA 验证设备证书链，设备用根 CA 验证 Broker 证书，形成双向信任。

Broker 端配置 mTLS

以 Mosquitto 2.x 为例，在 mosquitto.conf 中启用 TLS 并要求客户端证书。关键参数：require_certificate true 强制双向认证，use_identity_as_username true 将证书 CN 作为 MQTT 用户名，便于 ACL 按设备 ID 授权。

listener 8883
cafile   /etc/mosquitto/ca/rootCA.crt
certfile /etc/mosquitto/certs/broker.crt
keyfile  /etc/mosquitto/certs/broker.key
require_certificate true
use_identity_as_username true
tls_version tlsv1.2

设备端 Python 客户端实现

使用 paho-mqtt 连接，通过 tls_set 加载 CA、设备证书和私钥。以下代码可直接运行，连接成功后订阅主题并发布一条消息。

import ssl
import paho.mqtt.client as mqtt

BROKER = "broker.iot.local"
PORT = 8883
CA_CERT = "/etc/iot/certs/rootCA.crt"
DEVICE_CERT = "/etc/iot/certs/device-001-chain.crt"
DEVICE_KEY = "/etc/iot/certs/device-001.key"

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    if rc == 0:
        print("mTLS 认证成功，已连接")
        client.subscribe("devices/device-001/cmd")
    else:
        print(f"连接被拒绝，rc={rc}")

def on_message(client, userdata, msg):
    print(f"收到指令: {msg.topic} -> {msg.payload.decode()}")

client = mqtt.Client(client_id="device-001")
client.tls_set(
    ca_certs=CA_CERT,
    certfile=DEVICE_CERT,
    keyfile=DEVICE_KEY,
    tls_version=ssl.PROTOCOL_TLSv1_2,
)
client.tls_insecure_set(False)  # 严格校验 Broker 主机名
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message

client.connect(BROKER, PORT, keepalive=60)
client.publish("devices/device-001/status", "online", qos=1)
client.loop_forever()

验证服务端拒绝行为

需要验证两类拒绝场景：无证书连接、证书过期连接。使用 openssl s_client 可快速模拟。

证书轮换与吊销

设备证书有效期建议不超过 365 天，到期前 30 天通过 MQTT 下发新证书。吊销采用 CRL：在 mosquitto.conf 中增加 crlfile /etc/mosquitto/ca/crl.pem，Broker 每次握手时检查 CRL。生成 CRL 的命令如下：

# 在中间 CA 目录下吊销 device-001 并生成 CRL
openssl ca -config openssl.cnf -revoke certs/device-001.crt
openssl ca -config openssl.cnf -gencrl -out ca/intermediate/crl.pem