使用 AWS PCA 构建符合 Matter 要求的 IoT 证书体系

概述

构建 IoT 产品时，我们的证书体系构建一直是一个比较重要的一环，证书的发布，管理是否合规，都会对业务产生巨大的影响，而且 Matter 协议也对 IoT 设备的证书体系提出了要求。

Matter 协议是 CSA（Connectivity Standards Alliance）连接标准联盟于 2021 年推出的应用层连接协议，也是一个关注安全与隐私的互联协议，采用了密码学机制，能够确保安全地实现（参考 1）：

受信设备
受信控制器
隐私通讯

在 Matter 协议中，采用基于公钥基础设施（PKI）的安全模型，这是一种使用非常广泛的安全模型，比如我们常见的 https 请求中，就采用了该模型。PKI 可以帮助我们实现核实身份&保证数据的隐私性和完整性的安全需求。在 AWS 中，AWS Private Certificate Authority（AWS Private CA，以下简称 PCA）就是一个满足 PKI 需求的服务。

2023 年 1 月 3 号，AWS 也发布了 PCA 可以帮助通过 Matter 认证的说明（参考2），使用 PCA 来构建 IoT 设备的证书体系可以帮助我们更加简单快速的通过 CSA 认证。

Matter 协议中，PAA、PAI、DAC 是 commissionee 所必备的，以下是相关说明：

PAA：产品认证根证书
PAI：产品认证中间证书
DAC：设备认证证书，设备与 commissioner 认证时使用证书，因为其是 X509 证书，设备与 IoT Core 建立连接时，也可以使用该证书与云端进行身份校验。

这里使用一张图片梳理下对于 Matter 协议所需的证书间的关系：

以下，我们就会说明如何使用 PCA 来生成 PAA，PAI 与 DAC，并将其注册到 AWS IoT Core 的 CA 注册中心中，并用其签发证书，结合到我们的 IoT 业务中。

使用 AWS Private CA 生成 PAA，PAI

申请 AWS PrivateCA CA 证书（注意，PCA 有一定成本，具体参考：https://thinkwithwp.com/cn/private-ca/pricing/）

所有代码均来自 AWS 官方文档：https://docs.thinkwithwp.com/privateca/latest/userguide/API-CBR-intro.html

注意，生成 PAA 时，注意依赖与使用参数，作者编译运行的完整代码地址为：https://github.com/ThinSnorlax/MatterCABuild

在运行代码前，需要在本地配置 AWS credentials 文件，windows 操作系统中，一般位于 C:\Users\name.aws\credentials； Linux 操作系统中，位于～/.aws/credentials。方便起见，建议使用 AWS 命令行工具，用 AWS configure 命令自动生成。

AWS CLI 安装文档：https://docs.thinkwithwp.com/cli/latest/userguide/getting-started-install.html 注意，配置时，使用的访问密钥皆来自于 IAM User。

PAA 生成

运行 ProductAttestationAuthorityActivation 类，注意，替换 endpointRegion 参数，并记录生成的 CA ARN。

生成后，PCA 控制台中可以查询到该 CA：

PAI 生成

运行 ProductAttestationIntermediateActivation 类，注意以下配置项：

a) 参数 PAA Arn 需要替换为我们生成的 PAA 的 arn，可以在 AWS PCA Console 中对应 CA 的详情中寻找，也可以看 ProductAttestationAuthorityActivation 类执行时的输出；
b) 同理，我们需要替换 region 参数；
c) 代码 83 行指定的 1.3.6.1.4.1.37244.2.1，为 VID，生产需要自行替换 84 行的值，VID 由 CSA 提供；
d) 代码 84 行指定的 1.3.6.1.4.1.37244.2.1，为 PID，生产需要自行替换 87 行的值。

生成后，控制台中可以查询到该PAI：

使用 PAI 创建 DAC

openssl 生成 csr 文件和证书密钥 key 文件，参考命令如下：

openssl ecparam -out elsenow-ecc.key -name prime256v1 -genkey
openssl req -nodes -new -key elsenow-ecc.key \
            -out matter-registration.csr \
cat iot-registration.csr

记录下 cat matter-registration.csr 输出的结果，并替换 IssueDeviceAttestationCertificate 类中代码第 94 行的 strCSR 参数的值，替换后如下：

替换代码 76 行 region 参数，endpointRegion。

替换代码 91 行 PAI 的 ARN，PAI ARN 在生成时会打印，也可以在 ACM PCA 控制台查询。

执行代码后，会打印 DAC 的 ARN。

等待证书发布完成：

aws acm-pca wait certificate-issued \
    --certificate-authority-arn [替换为您自己的 PAI ARN] \
    --certificate-arn [替换为您自己的证书 ARN]

获取证书内容：

aws acm-pca get-certificate \
    --certificate-authority-arn [替换为您自己的 PAI ARN] \
    --certificate-arn [替换为您自己的证书 ARN]

导入 CA 至 AWS IoT Core CA

注意，AWS IoT Core 中的 CA 中心，导入需要使用验证证书 +CA 证书的形式，对 CA 证书拥有权进行校验，才可以导入 CA 中心，因此，我们在 IoT Core 中添加 CA 前，需要先使用 AWS PCA-API+Openssl 工具生成校验证书，注意，我们这里使用 PAI 生成验证证书。

获取 PCA 的证书，并导入本地文件，可以使用 AWS CLI 命令，命令如下：

aws acm-pca get-certificate-authority-certificate \
    --certificate-authority-arn 【替换您自己的 PAI ARN】
    --output text > acm-pca-pai-ca.pem

使用 openssl 验证是否一致：

openssl x509 -text -noout -in acm-pca-pai-ca.pem

此命令会输出证书信息，可以对比控制台上的 PCA 信息，确认证书是否正确。

AWS IoT Core CA 中心注册码，可以在控制台使用创建 CA 时查询，也可以用如下 CLI 命令获取：

aws iot get-registration-code --output text

openssl 生成 csr 文件和证书密钥 key 文件，参考命令如下，注意 registration-code 为上一步输出结果：

openssl req -nodes -new -key elsenow-ecc.key \
            -out iot-registration.csr \
            -subj "/CN=[替换您自己的 registration-code]"

注意，本命令会在当前文件夹生成 iot-registration.csr 文件。

acm-pca 的 issue-certificate API 发布证书，注意当前 PCA 与 ACM 控制台没有该 API 入口，控制台中，证书管理处的请求证书按钮为 acm 的 request-certificate API，两者不一致，请勿搞混，参考命令如下：

aws acm-pca issue-certificate \
    --certificate-authority-arn [替换为您自己的 CA ARN] \
    --csr file://./iot-registration.csr \
    --signing-algorithm "SHA256WITHECDSA" \
    --validity Value=1,Type="DAYS" \
    --idempotency-token $(date +'%Y%m%d%H%M%S')

API 调用成功后，会输出证书 ARN，请记录证书 ARN。

注意，如果使用 CLI 2.9 版本可能会遇到 CA 正则不匹配错误，可以参考以下 python 代码，使用代码发布：

import boto3
import time

client = boto3.client('acm-pca')
ca_arn = '替换您自己的 ca arn'
csr_path = './iot-registration.csr'   #csr 文件路径，根据需要替换


def issue_certificate():
    cert = open(csr_path, 'rb').read()
    print(cert)
    print(type(cert))
    response = client.issue_certificate(
        CertificateAuthorityArn=ca_arn,
        Csr=cert,
        SigningAlgorithm='SHA256WITHECDSA',
        Validity={
            'Value': 1,
            'Type': 'DAYS'
        },
        IdempotencyToken=str(time.time())
    )
    print(response)


if __name__ == '__main__':
    issue_certificate()

等待证书发布完成：

aws acm-pca wait certificate-issued \
    --certificate-authority-arn [替换为您自己的 CA ARN] \
    --certificate-arn [替换为您自己的证书 ARN]

获取证书内容：

aws acm-pca get-certificate \
    --certificate-authority-arn [替换为您自己的 CA ARN] \
    --certificate-arn [替换为您自己的证书 ARN] > iot-registration.json

命令或者手动将第三步输出结果的 json 中，Certificate 字段内容保存至 iot-registration.crt 文件中，生成的 iot-registration.crt 文件为我们的 CA 注册时使用的验证文件:

jq -r '.Certificate' iot-registration.json > iot-registration.crt

验证该文件的 CN 是否为 iot registration-code：

openssl x509 -text -noout -in iot-registration.crt -subject

输出如下：

subject= /CN=[您的 registration-code]

创建 IoT Core 中的 CA 注册中心，打开链接 https://us-east-1.console.thinkwithwp.com/iot/home?region=us-east-1#/create/cacertificate，创建图示如下。我们创建的 iot-registration.crt 文件为验证证书，acm-pca-root-ca.pem 为 CA 证书。

也可以使用 AWS CLI，参考命令如下：

aws iot register-ca-certificate \
    --allow-auto-registration \
    --set-as-active \
    --ca-certificate file://./acm-pca-pai-ca.pem \
    --verification-cert file://./iot-registration.crt

至此，我们完成了 IoT Core 中 CA 注册中心的创建, 且开启了 CA 的自动注册属性。

使用 PCA 发布证书并连接到 AWS IoT Core

使用 acm-pca 发布一个证书，用来与 IoT Core 进行通讯；

使用 Openssl 生成证书密钥和 csr 文件，subj 可以替换为您的信息：

openssl req -nodes -new -key elsenow-ecc.key \
            -out deviceCert.csr \
            -subj "/C=CN/CN=snx-test-device"

发布证书，同上，我们需要调用 issue-certificate 和等待证书发布完成，参考命令如下，如果遇到 csr 正则校验不通过错误，参考上述 python 代码：

aws acm-pca issue-certificate \
    —certificate-authority-arn [替换您自己的CA ARN] \
    --csr file://./deviceCert.csr \
    —signing-algorithm "SHA256WITHECDSA" \
    —validity Value=365,Type="DAYS" \
    —idempotency-token $(date +'%Y%m%d%H%M%S')

aws acm-pca wait certificate-issued \
    --certificate-authority-arn [替换为您自己的PCA中PAI ARN] \
    --certificate-arn [替换为第一步中输出的证书ARN]

同样，我们需要获取证书内容：

aws acm-pca get-certificate \
    --certificate-authority-arn [替换为您自己的PCA ARN] \
    --certificate-arn [替换为第一步中输出的证书ARN] > deviceCert.json

然后，相对于生成验证证书，我们发布设备证书时，除了需要获取证书正文保存到证书文件中，还需要将 CA 证书+设备证书保存到证书链文件中，用于自动注册证书（注意，需要 CA 开启自动证书注册属性，如果没有开启，可以不需要证书链，并手动注册证书），参考命令如下：

# 生成证书文件
jq -r '.Certificate' deviceCert.json > deviceCert.crt
# 生成证书链文件
jq -r '.Certificate' deviceCert.json > deviceCertAndCACert.crt
cat acm-pca-pai-ca.pem >> deviceCertAndCACert.crt

注意，acm-pca-pai-ca.pem 的格式，需要对齐，建议执行前先检查一次，以下是正确示例：

至此，我们已经完成了所有证书申请的步骤，我们可以开始来进行测试连接，此次连接使用证书为包含 CA 证书的证书链证书，用来进行初始化连接，我们可以使用 mosquitto_pub 工具进行测试连接，各位也可以选择使用自己常用的 MQTT 连接工具：

wget https://www.amazontrust.com/repository/AmazonRootCA1.pem  
mosquitto_pub --cafile ./AmazonRootCA1.pem \
  --cert deviceCertAndCACert.crt \
  --key elsenow-ecc.key  \
  -h 您的IOT_ENDPOINT -p 8883 -q 1 -t  cmd/my-device/welcome -i test-thing \
  --tls-version tlsv1.2 -m '{"lalala": "test"}' -d

注意，本次连接肯定失败，输出结果如下（红字部分为您的设备名称）：
Client my-device sending CONNECT
Error: The connection was lost.

初次连接失败后，我们就可以去控制台检查是否有证书生成：

有证书之后，我们就可以绑定策略与 IoT Thing，执行以下命令，激活证书，创建策略，并与我们自动生成的证书关联接，创建 IoT 物品，并与证书关联（这几个步骤，AWS 提供了 JITP 等方式实现自动注册，本实验主要为了解设备证书注册与激活流程，没有设置 JITP 流程，在生产中，建议使用 JITP 流程，参考 3）

aws iot update-certificate \
    --certificate-id [替换您自己的证书 ID] \
    --new-status ACTIVE
cat > policy.json << EOF
{
    "Version": "2012-10-17",
    "Statement": [
        {
            "Effect": "Allow",
            "Action": [
                "iot:*"
            ],
            "Resource": "*"
        }
    ]
}
EOF
aws iot create-policy \
    --policy-name test \
    --policy-document file://./policy.json
aws iot attach-policy \
    --policy-name test \
    --target [替换您自己的证书 arn]
aws iot create-thing --thing-name test-thing
aws iot attach-thing-principal \
    --thing-name test-thing \
    --principal 【替换您自己的证书 arn】

然后，我们就可以使用设备证书来进行 MQTT 连接，参考命令如下：

mosquitto_pub --cafile ./AmazonRootCA1.pem \
  --cert deviceCert.crt \
  --key elsenow-ecc.key  \
  -h 您的IOT_ENDPOINT -p 8883 -q 1 -t  dt/my-device/welcome -i test-thing \
  --tls-version tlsv1.2 -m '{"i am": "test success"}' -d

成功输出如下：

Client my-device sending CONNECT
Client my-device received CONNACK (0)
Client my-device sending PUBLISH (d0, q1, r0, m1, 'dt/my-device/welcome', ... (35 bytes))
Client my-device received PUBACK (Mid: 1, RC:0)

结束语

使用 PCA 生成的 CA 构建我们 IoT 设备的证书体系，可以保证整个证书的发布流程都是符合 Matter 协议要求，并完成 IoT 设备的初始化流程。

在整个 PAA，PAI，DAC 创建过程中，我们有用到 Matter 里面定义的 VID，PID 等参数，对该类参数的说明，可以参考如下表格：

亚马逊AWS官方博客