MQTT-I：在MQTT中实现端到端的数据流完整性
MQTT-I：在MQTT中实现端到端的数据流完整性
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议作为物联网（IoT）中的实际标准，其基于发布/订阅模型，通过中心化的MQTT代理服务器来收集和分发消息。尽管MQTT在多个领域得到广泛应用，但标准MQTT缺乏内置的安全特性。本文提出了一个新的协议MQTT-I（Integrity），旨在实现端到端的数据流完整性，以应对不可信代理的威胁模型。
引言
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议作为物联网（IoT）中的实际标准，其基于发布/订阅模型，通过中心化的MQTT代理服务器来收集和分发消息。尽管MQTT在多个领域得到广泛应用，但标准MQTT缺乏内置的安全特性。本文提出了一个新的协议MQTT-I（Integrity），旨在实现端到端的数据流完整性，以应对不可信代理的威胁模型。
相关工作
本节回顾了与MQTT端到端安全和外包数据完整性相关的主要研究方法。讨论了确保端到端保密性、访问控制和认证的不同解决方案，以及它们在MQTT中的应用。
背景知识
提供了MQTT协议和Merkle Hash Tree数据结构的背景知识。MQTT是一个客户端-服务器的发布/订阅消息传输协议，Merkle Hash Tree是一种用于验证数据完整性的数据结构。
威胁模型
描述了本文的敌手模型和通过解决方案实现的安全属性。考虑了一个场景，其中代理可能主动干扰协议执行，包括修改、注入、删除消息或改变消息顺序。
动机
讨论了为什么现有的技术不能直接应用于MQTT领域以实现端到端数据流完整性，并介绍了MQTT-I协议如何满足设计挑战。
基线方法
描述了不采用Merkle Hash Tree的基线方法，通过简单的哈希链来确保数据完整性。
MQTT-I：提出的解决方案
详细介绍了MQTT-I协议，该协议通过在发布者端构建Merkle Hash Tree并在代理端进行适当更改来实现数据流的完整性验证。
发布者操作：发布者为每个主题维护一个序列号和一个摘要（digest）。发送消息时，发布者在主题下发布消息，并更新摘要。每轮结束时，发布者构建一个Merkle Hash Tree，并对其根进行签名，然后将签名和根与其他信息一起发布。
代理（Broker）变化：代理需要为每个发布者维护一个与发布者相同的摘要数组，并在接收到发布者的签名信息时，计算Merkle Hash Tree的根，并存储从叶子到根的路径信息，以便订阅者可以重新计算根。
订阅者操作：订阅者维护与发布者相同的摘要数组，并在接收到消息时更新摘要。每轮结束时，订阅者使用代理提供的信息重新计算Merkle Hash Tree的根，并验证发布者的签名以确保数据的完整性。
计算开销
分析了基线方法和MQTT-I与标准MQTT协议相比的计算开销。
与现有方法的比较
将MQTT-I与流数据外包中的流认证数据结构（SADS）进行了比较，并讨论了MQTT-I在计算复杂性上的优势。
实验
通过在物理设备上实现标准MQTT协议、基线方法和MQTT-I来验证提案的性能，包括吞吐量和功耗。
安全性分析
根据威胁模型，对MQTT-I协议的安全性进行了分析，证明了MQTT-I能够确保数据流的完整性。
结论
总结了MQTT-I的主要贡献，讨论了其在安全性、吞吐量和能耗方面的权衡，并提出了未来的研究方向。
本文原文来自IEEE TRANSACTIONS ON DEPENDABLE AND SECURE COMPUTING, VOL. 21, NO. 5, SEPTEMBER/OCTOBER 2024