MQTT Projekt Umsetzung

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Stufe 1

Grundaufbau

Connectivity

ssh

Zugriff von einem internen Client

mqtt
  • ssh kit@mqtt.dkbi.com
sensor
  • ssh kit@sensor.dkbi.com
aktor
  • ssh kit@aktor.dkbi.com

http

sensor
aktor

Unverschlüsselt ohne Passwort

mqtt

Konfiguration kopieren
  • sudo cp /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf.ohne-password /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf
Konfigurationsdatei
  • cat /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf
# Öffnet den MQTT-Broker auf Port 1883 und bindet ihn an alle verfügbaren Netzwerkinterfaces.
listener 1883 0.0.0.0
# Erlaubt anonyme Verbindungen, d. h. ohne Benutzername und Passwort.
allow_anonymous true
# Aktiviert alle Log-Typen für eine detaillierte Protokollierung.
log_type all
# Zeigt Verbindungs- und Trennungsmeldungen von Clients im Log an.
connection_messages true
Restarten
  • sudo systemctl restart mosquitto.service
Checken
  • systemctl status mosquitto.service

Aktor

Der Aktor abonniert (subscribed) die Nachrichten und reagiert darauf.

  • mosquitto_sub -h mqtt.dkbi.com -t test

Sensor

Der Sensor sendet (published) die Nachrichten an das Topic.

  • mosquitto_pub -h mqtt.dkbi.com -t test -m "Hello World"
  • mosquitto_pub -h mqtt.dkbi.com -t test -m "2 Nachricht"

kali

Hier kann man auf Wireshark mitschneiden. Der Text ist Hexadezimal codiert.

Beispiel
  • 536368616c7465206469652054757262696e656e20766f6d2041746f6d6b726166747765726b20617573
Die kann man mit Follow TCP Stream oder auf der Konsole decodieren.
  • echo -n "536368616c7465206469652054757262696e656e20766f6d2041746f6d6b726166747765726b20617573" | xxd -r -p
Schalte die Turbinen vom Atomkraftwerk aus

Node.js Umsetzung

Einführung in das Node.js-MQTT-Projekt

Dieses Projekt dient zur steuerbaren MQTT-basierten Hausautomation mit Node.js und Mosquitto als MQTT-Broker. Es ermöglicht das Schalten und Überwachen von Geräten wie Lichtquellen und Türschlössern über eine Web-Oberfläche.

Hauptbestandteile des Projekts

Mosquitto MQTT-Broker
Verwaltung der Nachrichten zwischen Sensoren und Aktoren. Zunächst ohne Authentifizierung, später mit Benutzer/Passwort und TLS.
Node.js-Backend mit Express.js
Verbindet sich als MQTT-Client zum Broker. Abonniert Status-Topics und aktualisiert den Gerätestatus. Bietet eine REST-API, um den Status abzufragen und Geräte zu steuern.
Web-Interface
Zeigt den aktuellen Gerätestatus in einer einfachen Oberfläche. Ermöglicht das Schalten der Geräte per Klick. Aktualisiert sich automatisch über API-Anfragen.

Schrittweise Absicherung

Das Projekt startet mit einer offenen MQTT-Verbindung, wird dann um Benutzer/Passwort ergänzt und am Ende mit TLS-Verschlüsselung abgesichert.

Node.js konkret

Sensor

Verzeichnis
  • /usr/local/control-switch

Wichtige Dateien

JavaScript Datei
  • server.js
HTML Datei
  • index.html
Die Umgebungsvariablen
  • .env
Service Unit
  • sudo systemctl restart control-switch.service

Zugriff

  • Siehe oben per https

Aktor

Verzeichnis
  • /usr/local/control

Wichtige Dateien

JavaScript Datei
  • server.js
HTML Datei
  • index.html
Die Umgebungsvariablen
  • .env
Service Unit
  • sudo systemctl restart control.service

Zugriff

  • Siehe oben per https

Anpassen von node.js

sensor
  • sudo cp /usr/local/control-switch/env.ohne-passwd /usr/local/control-switch/.env
  • cat /usr/local/control-switch/.env
MQTT_HOST=mqtt.dkbi.com
MQTT_PORT=1883
Zum Testen im Vordergrund (zeigt Verbindungs- und Fehlermeldungen)
  • cd /usr/local/control-switch/
  • nodejs server.js
Läuft es, als Service starten
  • sudo systemctl restart control-switch.service
aktor
  • sudo cp /usr/local/control/env.ohne-passwd /usr/local/control/.env
  • cat /usr/local/control/.env
MQTT_HOST=mqtt.dkbi.com
MQTT_PORT=1883
Zum Testen im Vordergrund (zeigt Verbindungs- und Fehlermeldungen)
  • cd /usr/local/control/
  • nodejs server.js
Läuft es, als Service starten
  • sudo systemctl restart control.service

Stufe 2

Unverschlüsselt mit Passwort

mqtt

Benutzer anlegen
  • user: kit
  • pass: 123Start$
  • rm -f /etc/mosquitto/passwd
  • sudo mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd kit
  • sudo chown mosquitto:mosquitto /etc/mosquitto/passwd
  • sudo chmod 600 /etc/mosquitto/passwd
Konfiguration kopieren
  • sudo cp /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf.mit-password /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf
Konfigurationsdatei
  • cat /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf
# Öffnet den MQTT-Broker auf Port 1883 und bindet ihn an alle verfügbaren Netzwerkinterfaces.
listener 1883 0.0.0.0
# Verbietet anonyme Verbindungen, Authentifizierung ist erforderlich.
allow_anonymous false
# Aktiviert alle Log-Typen für eine detaillierte Protokollierung.
log_type all
# Zeigt Verbindungs- und Trennungsmeldungen von Clients im Log an.
connection_messages true
# Gegen diese Datei wird authentifiziert.
password_file /etc/mosquitto/passwd
Restarten
  • sudo systemctl restart mosquitto.service
Checken
  • systemctl status mosquitto.service

Aktor

Der Aktor abonniert (subscribed) die Nachrichten und reagiert darauf.

  • mosquitto_sub -h mqtt.dkbi.com -u kit -P '123Start$' -t test

Sensor

Der Sensor sendet (published) die Nachrichten an das Topic.

  • mosquitto_pub -h mqtt.dkbi.com -u kit -P '123Start$' -t test -m "Hello World"
  • mosquitto_pub -h mqtt.dkbi.com -u kit -P '123Start$' -t test -m "2 Nachricht"

kali

Hier kann man auf Wireshark mitschneiden. Der Text ist weiterhin im Klartext (Hexadezimal codiert) sichtbar — das Passwort schützt den Zugang, nicht die Übertragung.

Schaut mal, was man sieht.

Anpassen von node.js

sensor
  • sudo cp /usr/local/control-switch/env.mit-passwd /usr/local/control-switch/.env
  • cat /usr/local/control-switch/.env
MQTT_HOST=mqtt.dkbi.com
MQTT_PORT=1883
MQTT_USER=kit
MQTT_PASS=123Start$
Zum Testen im Vordergrund (zeigt Verbindungs- und Fehlermeldungen)
  • cd /usr/local/control-switch/
  • nodejs server.js
Läuft es, als Service starten
  • sudo systemctl restart control-switch.service
aktor
  • sudo cp /usr/local/control/env.mit-passwd /usr/local/control/.env
  • cat /usr/local/control/.env
MQTT_HOST=mqtt.dkbi.com
MQTT_PORT=1883
MQTT_USER=kit
MQTT_PASS=123Start$
Zum Testen im Vordergrund (zeigt Verbindungs- und Fehlermeldungen)
  • cd /usr/local/control/
  • nodejs server.js
Läuft es, als Service starten
  • sudo systemctl restart control.service

Stufe 3

Verschlüsselt mit Passwort

Zusätzlich zur Authentifizierung wird die Verbindung per TLS verschlüsselt. Auf dem Broker liegen das Server-Zertifikat (own.crt), der zugehörige private Schlüssel (own.key) und das Zertifikat der CA (kit-ca.crt). Die Clients prüfen den Broker gegen die CA.

mqtt

  • sudo cp /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf.verschlüsselt /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf
Konfigurationsdatei
  • cat /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf
# Öffnet den MQTT-Broker auf Port 8883 und bindet ihn an alle verfügbaren Netzwerkinterfaces.
listener 8883 0.0.0.0
# Verbietet anonyme Verbindungen, Authentifizierung ist erforderlich.
allow_anonymous false
# Aktiviert alle Log-Typen für eine detaillierte Protokollierung.
log_type all
# Zeigt Verbindungs- und Trennungsmeldungen von Clients im Log an.
connection_messages true
# Gegen diese Datei wird authentifiziert.
password_file /etc/mosquitto/passwd
# Server-Zertifikat
certfile /etc/mosquitto/conf.d/own.crt
# Privater Schlüssel
keyfile  /etc/mosquitto/conf.d/own.key
# Zertifikat der CA
cafile   /etc/mosquitto/conf.d/kit-ca.crt
Rechte setzen, damit der Broker Key und Zertifikate lesen darf
  • sudo chown mosquitto:mosquitto /etc/mosquitto/conf.d/own.key /etc/mosquitto/conf.d/own.crt /etc/mosquitto/conf.d/kit-ca.crt
  • sudo chmod 600 /etc/mosquitto/conf.d/own.key
  • sudo chmod 644 /etc/mosquitto/conf.d/own.crt /etc/mosquitto/conf.d/kit-ca.crt
Restarten
  • sudo systemctl restart mosquitto.service
Checken
  • systemctl status mosquitto.service

Aktor

Der Aktor abonniert (subscribed) die Nachrichten und reagiert darauf.

  • mosquitto_sub -h mqtt.dkbi.com -p 8883 --cafile /usr/local/control/kit-ca.crt -u kit -P '123Start$' -t test

Sensor

Der Sensor sendet (published) die Nachrichten an das Topic.

  • mosquitto_pub -h mqtt.dkbi.com -p 8883 --cafile /usr/local/control-switch/kit-ca.crt -u kit -P '123Start$' -t test -m "Hello World"
  • mosquitto_pub -h mqtt.dkbi.com -p 8883 --cafile /usr/local/control-switch/kit-ca.crt -u kit -P '123Start$' -t test -m "2 Nachricht"

kali

Hier kann man auf Wireshark mitschneiden. Der Verkehr ist jetzt TLS-verschlüsselt — der Klartext aus Stufe 1 und 2 ist nicht mehr lesbar.

Schaut mal, was man (nicht mehr) sieht.

Anpassen von node.js

sensor
  • sudo cp /usr/local/control-switch/env.mit-tls /usr/local/control-switch/.env
  • cat /usr/local/control-switch/.env
MQTT_HOST=mqtt.dkbi.com
MQTT_PORT=8883
MQTT_USER=kit
MQTT_PASS=123Start$
MQTT_TLS=true
MQTT_CA=/usr/local/control-switch/kit-ca.crt
Zum Testen im Vordergrund (zeigt Verbindungs- und Fehlermeldungen)
  • cd /usr/local/control-switch/
  • nodejs server.js
Läuft es, als Service starten
  • sudo systemctl restart control-switch.service
aktor
  • sudo cp /usr/local/control/env.mit-tls /usr/local/control/.env
  • cat /usr/local/control/.env
MQTT_HOST=mqtt.dkbi.com
MQTT_PORT=8883
MQTT_USER=kit
MQTT_PASS=123Start$
MQTT_TLS=true
MQTT_CA=/usr/local/control/kit-ca.crt
Zum Testen im Vordergrund (zeigt Verbindungs- und Fehlermeldungen)
  • cd /usr/local/control/
  • nodejs server.js
Läuft es, als Service starten
  • sudo systemctl restart control.service

Stufe 4

Verschlüsselt mit 2FA (Zertifikat + Passwort)

Zusätzlich zum Passwort muss der Client ein gültiges Client-Zertifikat vorlegen. Damit greifen zwei Faktoren: Besitz (Zertifikat + privater Schlüssel) und Wissen (Passwort).

Auf dem Broker liegen das Server-Zertifikat (own.crt) mit dem privaten Schlüssel (own.key) und das Zertifikat der CA (kit-ca.crt). Dazu gibt es zwei Client-Zertifikate: sensor.crt/sensor.key und aktor.crt/aktor.key.

Wichtig: Mit use_identity_as_username true leitet der Broker den Benutzernamen aus dem CN des Client-Zertifikats ab. Die Benutzer in der passwd müssen daher sensor und aktor heißen (genau wie der CN), nicht kit.

mqtt

Sensor Benutzer anlegen (CN des Client-Zertifikats)
  • user: sensor
  • pass: 123Start$
  • sudo mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd sensor
Aktor Benutzer anlegen
  • user: aktor
  • pass: 123Start$
Wichtig
hier kein -c, das sonst die Datei überschreibt.
  • sudo mosquitto_passwd /etc/mosquitto/passwd aktor
Rechte setzen, damit der Broker die Datei lesen darf
  • sudo chown mosquitto:mosquitto /etc/mosquitto/passwd
  • sudo chmod 600 /etc/mosquitto/passwd
Kontrolle
  • cat /etc/mosquitto/passwd
sensor:$7$101$...
aktor:$7$101$...
Konfiguration kopieren
  • sudo cp /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf.verschlüsselt.2fa /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf
Konfigurationsdatei
  • cat /etc/mosquitto/conf.d/defaults.conf
# Öffnet den MQTT-Broker auf Port 8883 und bindet ihn an alle verfügbaren Netzwerkinterfaces.
listener 8883 0.0.0.0
# Verbietet anonyme Verbindungen, Authentifizierung ist erforderlich.
allow_anonymous false
# Aktiviert alle Log-Typen für eine detaillierte Protokollierung.
log_type all
# Zeigt Verbindungs- und Trennungsmeldungen von Clients im Log an.
connection_messages true
# Gegen diese Datei wird authentifiziert.
password_file /etc/mosquitto/passwd
# Server-Zertifikat
certfile /etc/mosquitto/conf.d/own.crt
# Privater Schlüssel
keyfile  /etc/mosquitto/conf.d/own.key
# Zertifikat der CA
cafile   /etc/mosquitto/conf.d/kit-ca.crt
# Client-Zertifikat erforderlich (2FA: Besitz)
require_certificate true
# Benutzername wird aus dem CN des Client-Zertifikats abgeleitet
use_identity_as_username true
Restarten
  • sudo systemctl restart mosquitto.service
Checken
  • systemctl status mosquitto.service

Aktor

Der Aktor abonniert (subscribed) die Nachrichten und reagiert darauf. Auf der Kommandozeile entfällt das -u, der Benutzer kommt aus dem CN von aktor.crt

  • mosquitto_sub -h mqtt.dkbi.com -p 8883 --cafile /usr/local/control/kit-ca.crt --cert /usr/local/control/aktor.crt --key /usr/local/control/aktor.key -u aktor -P '123Start$' -t test

Sensor

Der Sensor sendet (published) die Nachrichten an das Topic.

  • mosquitto_pub -h mqtt.dkbi.com -p 8883 --cafile /usr/local/control-switch/kit-ca.crt --cert /usr/local/control-switch/sensor.crt --key /usr/local/control-switch/sensor.key -u sensor -P '123Start$' -t test -m "Zertifikat + Passwort"

Gegenprobe

Ohne Client-Zertifikat wird die Verbindung abgewiesen — der Besitz-Faktor fehlt.

  • mosquitto_pub -h mqtt.dkbi.com -p 8883 --cafile /usr/local/control-switch/kit-ca.crt -u sensor -P '123Start$' -t test -m "ohne Cert"
Connection error: Connection Refused: not authorised.

kali

Hier kann man auf Wireshark mitschneiden. Der Verkehr ist weiterhin TLS-verschlüsselt — ohne gültiges Client-Zertifikat kommt gar keine Verbindung mehr zustande.

Schaut mal, was man (nicht mehr) sieht.

Anpassen von node.js

Hinweis zum Benutzernamen: Auf der Kommandozeile (mosquitto_pub/sub) kann -u entfallen, der Broker nimmt den CN aus dem Zertifikat. Die Bibliothek mqtt.js verlangt jedoch ein gesetztes username-Feld, sobald ein Passwort gesetzt ist (sonst: "Username is required to use password"). Daher steht MQTT_USER in der .env weiterhin drin — der Wert wird vom Broker durch den CN überschrieben.

sensor
  • sudo cp /usr/local/control-switch/env.mit-2fa /usr/local/control-switch/.env
  • cat /usr/local/control-switch/.env
MQTT_HOST=mqtt.dkbi.com
MQTT_PORT=8883
MQTT_USER=sensor
MQTT_PASS=123Start$
MQTT_TLS=true
MQTT_CA=/usr/local/control-switch/kit-ca.crt
MQTT_CERT=/usr/local/control-switch/sensor.crt
MQTT_KEY=/usr/local/control-switch/sensor.key
Zum Testen im Vordergrund (zeigt Verbindungs- und Fehlermeldungen)
  • cd /usr/local/control-switch/
  • nodejs server.js
Läuft es, als Service starten
  • sudo systemctl restart control-switch.service
aktor
  • sudo cp /usr/local/control/env.mit-2fa /usr/local/control/.env
  • cat /usr/local/control/.env
MQTT_HOST=mqtt.dkbi.com
MQTT_PORT=8883
MQTT_USER=aktor
MQTT_PASS=123Start$
MQTT_TLS=true
MQTT_CA=/usr/local/control/kit-ca.crt
MQTT_CERT=/usr/local/control/aktor.crt
MQTT_KEY=/usr/local/control/aktor.key
Zum Testen im Vordergrund (zeigt Verbindungs- und Fehlermeldungen)
  • cd /usr/local/control/
  • nodejs server.js
Läuft es, als Service starten
  • sudo systemctl restart control.service
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