[论文解读] JSON Web Token (JWT) based client authentication in Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)

Krishna Shingala|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Arduino and IoT Applications参考文献 7被引用 9

一句话总结

本文评估了在物联网系统中基于JSON Web Token（JWT）和TLS的MQTT客户端相互认证机制，表明JWT提供轻量级、保护隐私的认证方式，适用于资源受限设备，而TLS则提供更强的安全性但资源开销更高。主要贡献在于对安全、性能和部署复杂性之间权衡的对比分析，适用于物联网环境。

ABSTRACT

This paper is an overview of JSON Web Token (JWT) and Transport Layer Security (TLS) as two primary approaches for authentication of the things on the Internet. JSON Web Token (JWT) is used extensively today for authorization and authentication within the OAuth and the OpenId framework. Recently, the Google Cloud IoT has mandated the use of JWT for both HTTP and Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol based clients connecting to the cloud service securely over TLS. MQTT is the protocol of choice in IoT devices and is the primary focus of this paper as the application protocol. Another popular cloud platform Amazon Web Service (AWS) uses the TLS mutual authentication for client authentication. Any comparison provided here between the two approaches is primarily from a constrained device client perspective.

研究动机与目标

• 评估JWT和TLS作为MQTT物联网客户端认证机制的适用性。
• 从资源受限物联网设备的视角，比较JWT与TLS在安全性、性能和资源开销方面的差异。
• 评估JWT与基于证书的TLS认证在隐私影响和信任模型方面的差异。
• 识别每种方法在实际物联网系统中部署时面临的挑战与风险。
• 根据使用场景、设备约束和威胁模型，为认证方案的选择提供建议。

提出的方法

• 本文分析了JWT标准（RFC 7519）及其与OAuth和OpenID Connect集成以实现基于令牌的认证。
• 研究了TLS握手流程，包括证书链和相互认证机制，以AWS IoT中的实现为例。
• 通过计算成本、内存使用和密钥管理复杂度，对比分析了基于JWT的认证（如Google Cloud IoT中所用）与基于TLS客户端证书的认证。
• 评估了在JWT中使用HMAC-SHA256和公钥签名（如ECDSA）以保障完整性与真实性。
• 讨论了安全通道（TLS）在保护JWT交换中的作用，以及若未正确配置，可能面临中间人攻击的风险。
• 强调了安全时间同步的重要性，以及在TLS上因MQTT数据包模式可预测而可能遭受已知明文攻击的风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 在资源受限的物联网设备上，基于JWT的认证与TLS相互认证相比，其计算和内存开销如何？
• RQ2 在物联网系统中，使用JWT与客户端证书进行设备认证，其隐私影响是什么？
• RQ3 JWT与TLS的信任模型有何不同，这对密钥管理和设备生命周期管理有何影响？
• RQ4 在非安全通道上使用JWT存在哪些安全风险，TLS如何缓解这些风险？
• RQ5 TLS 1.3在多大程度上可缩小物联网部署中JWT与基于证书认证之间的性能差距？

主要发现

• 与TLS相互认证相比，基于JWT的认证能提供更好的客户端隐私保护，因其不会通过证书暴露客户端身份。
• TLS相互认证需要复杂的证书链管理，且计算开销更大，尤其在资源受限设备上更为明显。
• JWT是无状态的，可独立验证，相比TLS中的证书吊销列表，可显著减少服务端状态管理开销。
• 通过TLS使用JWT可确保令牌交换的安全，但整个通道的完整性依赖于强TLS配置与正确实现。
• 两种方案均依赖TLS进行安全通信，因此均可能受到TLS协议缺陷或实现漏洞的影响。
• 在MQTT中，由于消息模式具有可预测性，对TLS的已知明文攻击可能可行，尤其当使用CBC模式的分组密码时。