MQTT Projekt Umsetzung

Stufe 1

Grundaufbau

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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

• https://sensor.dkbi.com

aktor

• https://aktor.dkbi.com

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

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

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