深入解析 MQTT 中基于 Token 的认证和 OAuth 2.0

除了前几篇文章中提到的认证方法，本文将对其他认证方法进行深入分析和探讨。

具体而言，我们将深入了解基于 Token 的认证和 OAuth 2.0，阐述它们的原理并展示它们在 MQTT 中的应用。

基于 Token 的认证

让我们先来认识一下基于 Token 的认证，了解它相较于传统的用户名和密码认证的一些优势。

什么是基于 Token 的认证？

简单来说，基于 Token 的认证使用 Token 来验证客户端身份，而不是使用传统的凭据（如用户名和密码）。这个过程类似于使用电子门卡进入酒店房间。当您向前台出示身份证时，他们会提供一张电子门卡，让您能够打开酒店房门。这张电子门卡在您入住期间起到了 Token 的作用，您无需每次进入房间时都向前台证明身份，只需刷卡即可。

Token 的一个重要特性是其具备有效期限制，可以在到期后失效。例如，您的酒店门卡在退房后将失效。然而，您可能会入住另一家酒店并拿到新房间的门卡。因此，相较于用户名和密码，Token 更加灵活且易于管理。酒店房门上的电子门卡阅读器无需记录有效的用户名和密码，只需验证门卡上的房间号码和有效期即可。

下面我们将深入研究一些适用于 MQTT 的基于 Token 的认证方法。

基于 Token 的 MQTT 认证方法

在 MQTT 中，我们通常使用 JWT 来实现令牌认证。

JWT（JSON Web Token）是一种在 MQTT Broker 中验证客户端身份的简洁方式。客户端向 Broker 发送一个签名的 JWT Token，Broker 根据该 Token 验证客户端身份。Broker 不需要保存客户端的用户名和密码。

JWT Token 由以下部分组成：

• 头部：用 Base64 编码 - 说明生成签名所采用的算法。
• 有效载荷：用 Base64 编码 - 携带可以验证客户端身份的声明。
• 签名：将头部和有效载荷连接后用 Base64 编码，再用密钥对其签名。

下图显示了 JWT 的结构：

请注意，头部和有效载荷并没有加密，它们只是用 base64 二进制到文本编码函数进行了编码。这是一个可逆的函数，所以只要用 base64 解码函数就能轻松地看到内容。因此，不要在头部和有效载荷部分放置敏感信息。另外，最好使用 TLS 对客户端连接进行加密。JWT 使用 密钥 进行签名。

Broker 需要验证 JWT 是否有效。这可以通过两种方式实现：一种是在本地持有密钥，可以是一个和客户端共享的密钥，也可以是一个与签发 JWT 使用的私钥相对的公钥；另一种是使用 JWKS (JSON Web Key Set)，JWKS 是一组公钥，可以用来检验密钥是否有效。Broker 可以通过 JWKS 端点来获取公钥，而无需自己持有它。

JWT Token 在颁发后，就无法撤销，只能等到它过期。因此，一定要把它保存在安全的地方，如果落入他人之手，攻击者就可以利用它来访问 Broker。

可以通过使用认证服务器来获取 JWT Token。在这种情况下，客户端先连接到认证服务器，认证服务器核实其身份后，向客户端发放 JWT Token。客户端凭借这个令牌来连接 Broker。

下图展示了这个过程：

下面是一个 JWT 有效载荷的例子。

{
 "clientid": "client1",
 "username": "user1",
 "iat": 1516239022,
 "nbf": 1678114325,
 "exp": 1709649185
}

除了 clientid 和 username 字段外，JWT 令牌还可以包含一些时间字段，用于表示令牌的有效期。这些时间字段以 Unix 时间的形式表示，即从 1970 年 1 月 1 日开始计算的秒数。

• “iat”：颁发时间 - Token 颁发的日期和时间。用 Unix 时间表示。
• “nbf”：生效时间 - Token 开始生效的日期和时间。用 Unix 时间表示。
• “exp”：过期时间 - Token 失效的日期和时间。用 Unix 时间表示。

请注意，通过使用 nbf 字段，您可以颁发一个在未来某个日期才生效的 JWT。

OAuth 2.0

在上一节中，我们介绍了 JWT Token 的格式，但是并没有说明如何获取 Token。接下来，让我们看看如何将 OAuth 2.0 和 JWT 结合使用，以使客户能够访问 Broker。

什么是 OAuth 2.0？

OAuth 2.0 是一个框架，它让用户可以用他们在一个独立的认证和授权服务器（如 Google、Facebook、GitHub 等）注册的凭证来访问其他网站或应用的资源。这样，用户就不需要为每个网站或应用设置不同的密码，实现了单点登录（SSO）的效果。用户可以在不同的应用程序中使用相同的 Google 凭证。

最初，OAuth 2.0 被设计为一种授权框架，用于授予第三方应用程序对特定资源的有限访问权限。一个常见的例子是对 Gmail 联系人的只读权限。我们可以允许应用程序读取我们的联系人，但不希望它能够删除它们。OAuth 2.0 解决的一个问题是，它允许我们让第三方应用程序访问我们的联系人，而无需将我们的 Gmail 密码提供给该应用程序，从而提升了安全性。

为了方便使用 OAuth 2.0 协议进行认证，一个名为 OpenID Connect 的 OAuth 2.0 扩展应运而生。该扩展定义了使用 OAuth 2.0 进行认证的标准方法。考虑到认证是本文的主题，我们将 OAuth 2.0 和 OpenID Connect 结合起来使用，共同实现 MQTT 客户端访问 Broker 的授权机制。

OAuth 2.0 如何与 MQTT 配合？

客户端可以利用 OAuth 2.0 和 OpenID Connect 来获取合适的 JWT，然后再将 JWT 发送给 Broker。参考上面的图片，第一步是 MQTT 客户端向认证服务器申请 JWT Token。我们这里假设认证服务器支持带有 OpenID Connect 扩展的 OAuth 2.0。OpenID Connect 规定了认证服务器返回的令牌必须是 JWT 格式。客户端拿到 JWT 后，就可以把它发送给 Broker。通常，JWT 放在 CONNECT 报文的密码字段里发送给 Broker。

结语

作为全球领先的 MQTT Broker，EMQX 提供了多种认证方式，其中包括 JWT 认证。您可以选择 HMAC 作为签名方案，也可以选择更安全的 RSA，或者直接为 EMQX 配置一个 JWKS 端点来启用 JWT 认证。

通过使用这些额外的认证方式，您可以增强整个系统对未授权访问和潜在安全威胁的防护。随着技术的不断进步，与最新的认证技术保持同步将变得更加重要。