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标题: Espressif 系列：ESP8266 系列_（15）.ESP8266安全与加密 [打印本页]

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作者: 郭卫东    时间: 2025-1-22 15:01
标题: Espressif 系列：ESP8266 系列_（15）.ESP8266安全与加密
ESP8266安全与加密

1. 引言

在物联网（IoT）应用中，安全性和加密是至关重要的。随着越来越多的设备连接到互联网，保护这些设备免受恶意攻击和数据泄露成为开发者必须思量的题目。ESP8266作为一款功能强大的Wi-Fi模块，提供了多种安全和加密机制，以确保数据传输的安全性和设备的完备性。本节将详细介绍ESP8266的安全与加密机制，包罗Wi-Fi安全、数据传输加密、固件安全等方面的内容。

2. Wi-Fi安全

ESP8266支持多种Wi-Fi安全协议，包罗WEP、WPA和WPA2。选择符合的Wi-Fi安全协议可以有效防止未经授权的设备接入网络，保护网络的安全。
2.1 WEP（Wired Equivalent Privacy）

WEP是一种较早的Wi-Fi安全协议，固然已经被广泛认为不安全，但在某些特定场景下仍然可能被使用。WEP使用RC4流密码进行数据加密，但其密钥管理机制存在严重的漏洞。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
6. const char* ssid = "yourSSID";
8. const char* password = "yourWEPKey";
10. const int keyIndex = 0; // 0-3
14. void setup() {
16.   Serial.begin(115200);
18.   WiFi.begin(ssid, keyIndex, password);
20.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
22.     delay(1000);
24.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
26.   }
28.   Serial.println("Connected to WiFi");
30. }
34. void loop() {
36.   // 主循环
38. }

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2.2 WPA（Wi-Fi Protected Access）

WPA是一种更安全的Wi-Fi安全协议，使用TKIP（Temporal Key Integrity Protocol）进行数据加密。相比WEP，WPA提供了更强的密钥管理和数据保护机制。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
6. const char* ssid = "yourSSID";
8. const char* password = "yourWPAKey";
12. void setup() {
14.   Serial.begin(115200);
16.   WiFi.begin(ssid, password);
18.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
20.     delay(1000);
22.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
24.   }
26.   Serial.println("Connected to WiFi");
28. }
32. void loop() {
34.   // 主循环
36. }

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2.3 WPA2

WPA2是当前最广泛使用的Wi-Fi安全协议，使用AES（Advanced Encryption Standard）进行数据加密，提供了更高的安全性。ESP8266默认支持WPA2。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
6. const char* ssid = "yourSSID";
8. const char* password = "yourWPA2Key";
12. void setup() {
14.   Serial.begin(115200);
16.   WiFi.begin(ssid, password);
18.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
20.     delay(1000);
22.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
24.   }
26.   Serial.println("Connected to WiFi");
28. }
32. void loop() {
34.   // 主循环
36. }

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3. 数据传输加密

在ESP8266上进行数据传输时，可以使用多种加密技术来保护数据的安全性，包罗SSL/TLS、AES等。
3.1 SSL/TLS

SSL/TLS是一种广泛使用的数据传输加密协议，可以确保数据在传输过程中不被窃听或窜改。ESP8266支持使用BearSSL库进行SSL/TLS加密。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
4. #include <ESP8266HTTPClient.h>
6. #include <BearSSL.h>
10. const char* ssid = "yourSSID";
12. const char* password = "yourWPA2Key";
14. const char* serverName = "https://api.example.com";
18. void setup() {
20.   Serial.begin(115200);
22.   WiFi.begin(ssid, password);
24.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
26.     delay(1000);
28.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
30.   }
32.   Serial.println("Connected to WiFi");
34. }
38. void loop() {
40.   if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
42.     HTTPClient httpsClient;
44.     // 指定使用SSL/TLS
46.     httpsClient.set followRedirects(HTTPCLIENT_FOLLOW_REDIRECTS);
48.     httpsClient.begin(serverName, 443);
50.     httpsClient.setCAcert("/path/to/ca.pem"); // 设置CA证书
52.     httpsClient.setCert("/path/to/client.pem"); // 设置客户端证书
54.     httpsClient.setKey("/path/to/client.key"); // 设置客户端密钥
58.     // 发送GET请求
60.     int httpCode = httpsClient.GET();
62.     if (httpCode > 0) {
64.       Serial.printf("HTTP GET request sent. HTTP response code: %d\n", httpCode);
66.       String payload = httpsClient.getString();
68.       Serial.println(payload);
70.     } else {
72.       Serial.printf("Error on sending GET: %d\n", httpCode);
74.     }
76.     httpsClient.end();
78.   }
82.   delay(5000); // 每5秒发送一次请求
84. }

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3.2 AES

AES是一种对称加密算法，广泛用于数据加密。ESP8266可以通过外部库（如AES256-CBC）进行AES加密。

2. #include <AES256-CBC.h>
4. #include <ESP8266WiFi.h>
8. const char* ssid = "yourSSID";
10. const char* password = "yourWPA2Key";
12. const char* key = "your256BitKey"; // 32字节密钥
14. const char* iv = "your128BitIV";   // 16字节初始向量
18. void setup() {
20.   Serial.begin(115200);
22.   WiFi.begin(ssid, password);
24.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
26.     delay(1000);
28.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
30.   }
32.   Serial.println("Connected to WiFi");
34. }
38. void loop() {
40.   if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
42.     String originalData = "Hello, ESP8266!";
44.     String encryptedData;
46.     String decryptedData;
50.     // 加密数据
52.     encryptedData = AES256CBC::encryptString(originalData, key, iv);
54.     Serial.printf("Encrypted Data: %s\n", encryptedData.c_str());
58.     // 解密数据
60.     decryptedData = AES256CBC::decryptString(encryptedData, key, iv);
62.     Serial.printf("Decrypted Data: %s\n", decryptedData.c_str());
64.   }
68.   delay(5000); // 每5秒执行一次
70. }

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4. 固件安全

固件安全是保护ESP8266设备免受恶意攻击的重要方面。通过固件签名和验证，可以确保设备运行的固件是可信的。
4.1 固件签名

固件签名是一种验证固件完备性和来源的方法。开发者可以使用私钥对固件进行签名，设备在启动时使用公钥验证固件签名。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
4. #include <ESP8266mDNS.h>
6. #include <WebServer.h>
8. #include <BearSSL.h>
12. const char* ssid = "yourSSID";
14. const char* password = "yourWPA2Key";
18. void setup() {
20.   Serial.begin(115200);
22.   WiFi.begin(ssid, password);
24.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
26.     delay(1000);
28.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
30.   }
32.   Serial.println("Connected to WiFi");
36.   // 读取固件签名
38.   const char* firmwareSignature = getFirmwareSignature();
42.   // 验证固件签名
44.   if (verifyFirmwareSignature(firmwareSignature)) {
46.     Serial.println("Firmware is valid and trusted");
48.   } else {
50.     Serial.println("Firmware is invalid or untrusted");
52.     // 处理固件验证失败的情况
54.   }
56. }
60. void loop() {
62.   // 主循环
64. }
68. const char* getFirmwareSignature() {
70.   // 从存储中读取固件签名
72.   // 例如，从闪存中读取
74.   return "yourFirmwareSignature";
76. }
80. bool verifyFirmwareSignature(const char* signature) {
82.   // 使用公钥验证固件签名
84.   // 例如，使用BearSSL库进行验证
86.   return true; // 假设验证成功
88. }

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4.2 固件更新

固件更新时，确保固件的完备性和来源是至关重要的。ESP8266支持通过OTA（Over-The-Air）方式进行固件更新，但必须确保固件的签名和验证。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
4. #include <ESP8266httpUpdate.h>
6. #include <BearSSL.h>
10. const char* ssid = "yourSSID";
12. const char* password = "yourWPA2Key";
14. const char* firmwareURL = "https://example.com/firmware.bin";
18. void setup() {
20.   Serial.begin(115200);
22.   WiFi.begin(ssid, password);
24.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
26.     delay(1000);
28.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
30.   }
32.   Serial.println("Connected to WiFi");
36.   // 启动固件更新
38.   t_httpUpdate_return ret = ESPhttpUpdate.update(firmwareURL);
40.   switch (ret) {
42.     case HTTP_UPDATE_FAILED:
44.       Serial.printf("HTTP_UPDATE_FAILED Error (%d): %s\n", ESPhttpUpdate.getLastError(), ESPhttpUpdate.getLastErrorString().c_str());
46.       break;
48.     case HTTP_UPDATE_NO_UPDATES:
50.       Serial.println("HTTP_UPDATE_NO_UPDATES");
52.       break;
54.     case HTTP_UPDATE_OK:
56.       Serial.println("HTTP_UPDATE_OK");
58.       break;
60.   }
62. }
66. void loop() {
68.   // 主循环
70. }

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5. 安全存储

ESP8266提供了多种安全存储机制，包罗使用SPIFFS文件体系和加密存储敏感数据。
5.1 SPIFFS文件体系

SPIFFS是一种适合嵌入式体系的文件体系，可以存储设置文件、证书等敏感数据。通过文件体系权限管理，可以增强数据的安全性。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
4. #include <FS.h>  // 包含SPIFFS文件系统库
8. const char* ssid = "yourSSID";
10. const char* password = "yourWPA2Key";
12. const char* filename = "/config.txt";
16. void setup() {
18.   Serial.begin(115200);
20.   WiFi.begin(ssid, password);
22.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
24.     delay(1000);
26.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
28.   }
30.   Serial.println("Connected to WiFi");
34.   // 初始化SPIFFS文件系统
36.   if (SPIFFS.begin()) {
38.     Serial.println("SPIFFS mounted successfully");
42.     // 读取配置文件
44.     File configFile = SPIFFS.open(filename, "r");
46.     if (configFile) {
48.       Serial.println("Reading config file...");
50.       String configData = configFile.readString();
52.       Serial.println(configData);
54.       configFile.close();
56.     } else {
58.       Serial.println("Failed to open config file");
60.     }
62.   } else {
64.     Serial.println("Failed to mount SPIFFS");
66.   }
68. }
72. void loop() {
74.   // 主循环
76. }

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5.2 加密存储

为了进一步增强数据的安全性，可以使用加密算法（如AES）对存储在SPIFFS中的数据进行加密。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
4. #include <FS.h>  // 包含SPIFFS文件系统库
6. #include <AES256-CBC.h>
10. const char* ssid = "yourSSID";
12. const char* password = "yourWPA2Key";
14. const char* filename = "/config.txt";
16. const char* key = "your256BitKey"; // 32字节密钥
18. const char* iv = "your128BitIV";   // 16字节初始向量
22. void setup() {
24.   Serial.begin(115200);
26.   WiFi.begin(ssid, password);
28.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
30.     delay(1000);
32.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
34.   }
36.   Serial.println("Connected to WiFi");
40.   // 初始化SPIFFS文件系统
42.   if (SPIFFS.begin()) {
44.     Serial.println("SPIFFS mounted successfully");
48.     // 读取配置文件
50.     File configFile = SPIFFS.open(filename, "r");
52.     if (configFile) {
54.       Serial.println("Reading config file...");
56.       String encryptedData = configFile.readString();
58.       String decryptedData = AES256CBC::decryptString(encryptedData, key, iv);
60.       Serial.println(decryptedData);
62.       configFile.close();
64.     } else {
66.       Serial.println("Failed to open config file");
68.     }
70.   } else {
72.     Serial.println("Failed to mount SPIFFS");
74.   }
76. }
80. void loop() {
82.   // 主循环
84. }

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6. 安全通讯协议

除了Wi-Fi安全协媾和数据传输加密，ESP8266还支持多种安全通讯协议，如MQTT、CoAP等。
6.1 安全MQTT通讯

MQTT是一种轻量级的消息协议，广泛用于IoT设备。通过使用安全连接（如TLS），可以确保MQTT通讯的安全性。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
4. #include <PubSubClient.h>
8. const char* ssid = "yourSSID";
10. const char* password = "yourWPA2Key";
12. const char* mqttServer = "mqtt.example.com";
14. const int mqttPort = 8883;
16. const char* mqttUser = "yourUsername";
18. const char* mqttPassword = "yourPassword";
22. WiFiClientSecure wifiClient;
24. PubSubClient client(wifiClient);
28. void setup() {
30.   Serial.begin(115200);
32.   WiFi.begin(ssid, password);
34.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
36.     delay(1000);
38.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
40.   }
42.   Serial.println("Connected to WiFi");
46.   // 设置MQTT服务器和安全连接
48.   wifiClient.setCAcert("/path/to/ca.pem"); // 设置CA证书
50.   wifiClient.setCert("/path/to/client.pem"); // 设置客户端证书
52.   wifiClient.setKey("/path/to/client.key"); // 设置客户端密钥
56.   client.setServer(mqttServer, mqttPort);
58.   client.setCallback(callback);
60.   while (!client.connect("ESP8266Client", mqttUser, mqttPassword)) {
62.     Serial.println("Connecting to MQTT...");
64.     delay(1000);
66.   }
68.   Serial.println("Connected to MQTT");
70. }
74. void loop() {
76.   if (client.connected()) {
78.     client.loop();
80.     // 发布消息
82.     client.publish("test/topic", "Hello, MQTT!");
84.   } else {
86.     Serial.println("Reconnecting to MQTT...");
88.     client.connect("ESP8266Client", mqttUser, mqttPassword);
90.   }
92. }
96. void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
98.   Serial.printf("Message arrived [%s]: ", topic);
100.   for (int i = 0; i < length; i++) {
102.     Serial.print((char)payload[i]);
104.   }
106.   Serial.println();
108. }

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6.2 安全CoAP通讯

CoAP（Constrained Application Protocol）是一种适用于资源受限设备的轻量级通讯协议。通过使用DTLS（Datagram Transport Layer Security），可以确保CoAP通讯的安全性。

2. #include <ESP8266WiFi.h>
4. #include <CoAP.h>
8. const char* ssid = "yourSSID";
10. const char* password = "yourWPA2Key";
12. const char* coapServer = "coap.example.com";
14. const int coapPort = 5684;
18. WiFiClientSecure wifiClient;
20. CoAP coapClient(wifiClient);
24. void setup() {
26.   Serial.begin(115200);
28.   WiFi.begin(ssid, password);
30.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
32.     delay(1000);
34.     Serial.println("Connecting to WiFi...");
36.   }
38.   Serial.println("Connected to WiFi");
42.   // 设置CoAP服务器和安全连接
44.   wifiClient.setCAcert("/path/to/ca.pem"); // 设置CA证书
46.   wifiClient.setCert("/path/to/client.pem"); // 设置客户端证书
48.   wifiClient.setKey("/path/to/client.key"); // 设置客户端密钥
52.   coapClient.begin(coapServer, coapPort);
54.   Serial.println("CoAP client initialized");
56. }
60. void loop() {
62.   if (coapClient.connected()) {
64.     // 发送CoAP请求
66.     coapClient.get("/test");
68.     delay(5000); // 每5秒发送一次请求
70.   } else {
72.     Serial.println("Reconnecting to CoAP server...");
74.     coapClient.begin(coapServer, coapPort);
76.   }
78. }
82. void coapCallback(CoAP &client, CoAP::Message message, IPAddress ip, uint16_t port) {
84.   Serial.printf("CoAP response from %s:%d\n", ip.toString().c_str(), port);
86.   Serial.printf("Payload: %s\n", message.getPayload());
88. }

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7. 安全开发实践

在开发ESP8266应用时，依照一些安全开发实践可以进一步进步体系的安全性。
7.1 代码审查

定期进行代码审查，确保代码中没有安全漏洞。特别是处理网络请求和用户输入的部分，必要特别注意。
7.2 使用安全库

使用颠末验证的安全库，如BearSSL，可以减少自行实现加密算法的风险。这些库通常已经颠末广泛的测试和审查。
7.3 定期更新固件

定期更新ESP8266的固件，以获取最新的安全补丁和改进。这可以有效防止已知的安全漏洞。
7.4 启用安全日记

启用安全日记记载，可以帮助开发者及时发现和处理安全变乱。日记应该记载重要变乱，如固件更新、网络连接等。
7.5 防止重放攻击

在处理敏感操作时，使用时间戳或序列号来防止重放攻击。确保每个请求都是唯一的。
7.6 限制网络访问

通过设置防火墙和访问控制列表（ACL），限制设备的网络访问。只允许已知的、可信的IP地址和端口进行通讯。
7.7 使用强密码

使用强密码和密钥，增加破解难度。克制使用默认密码和简朴的密钥。
7.8 安全设置

在设备设置时，确保所有安全设置都已启用。例如，启用WPA2安全协议、启用固件签名验证等。
7.9 定期审计

定期进行安全审计，检查设备的安全性。这包罗物理安全、固件安全和网络通讯安全。
8. 安全## 8. 安全总结与展望

在物联网（IoT）应用中，安全性和加密是至关重要的。随着越来越多的设备连接到互联网，保护这些设备免受恶意攻击和数据泄露成为开发者必须思量的题目。ESP8266作为一款功能强大的Wi-Fi模块，提供了多种安全和加密机制，以确保数据传输的安全性和设备的完备性。本节将对前面讨论的内容进行总结，并展望未来的发展方向。
8.1 总结

• Wi-Fi安全：ESP8266支持多种Wi-Fi安全协议，包罗WEP、WPA和WPA2。固然WEP不安全，但在某些情况下可能仍然被使用。WPA和WPA2提供了更强的密钥管理和数据保护机制，发起使用WPA2以得到更高的安全性。
  
• 数据传输加密：ESP8266支持使用SSL/TLS和AES等加密技术来保护数据传输的安全性。通过使用BearSSL库，可以方便地实现SSL/TLS加密。AES是一种对称加密算法，适用于必要高安全性的数据传输。
  
• 固件安全：固件签名和验证是保护ESP8266设备免受恶意攻击的重要手段。通过使用私钥对固件进行签名，并在设备启动时使用公钥验证签名，可以确保设备运行的固件是可信的。此外，OTA（Over-The-Air）固件更新时，必须确保固件的签名和验证。
  
• 安全存储：ESP8266提供了SPIFFS文件体系来存储设置文件、证书等敏感数据。为了进一步增强数据的安全性，可以使用加密算法（如AES）对存储在SPIFFS中的数据进行加密。
  
• 安全通讯协议：除了Wi-Fi安全协媾和数据传输加密，ESP8266还支持多种安全通讯协议，如MQTT和CoAP。通过使用安全连接（如TLS和DTLS），可以确保这些通讯协议的安全性。
  
• 安全开发实践：在开发ESP8266应用时，依照一些安全开发实践可以进一步进步体系的安全性。这些实践包罗定期进行代码审查、使用颠末验证的安全库、定期更新固件、启用安全日记、防止重放攻击、限制网络访问、使用强密码和安全设置。
  

8.2 未来展望

随着物联网技术的不断发展，安全性和加密的需求也越来越高。未来，ESP8266的安全机制可能会进一步增强，包罗但不限于：

• 更强大的加密算法：随着计算能力的提拔，新的加密算法将会被引入，以提供更高的安全性。例如，量子安全加密算法可能会在未来得到应用。
  
• 固件保护技术：未来的固件保护技术可能会包罗更复杂的签名和验证机制，以及硬件级别的安全保护，如安全启动（Secure Boot）和信托根（Root of Trust）。
  
• 安全通讯协议的扩展：除了现有的MQTT和CoAP，可能会有更多的安全通讯协议被引入，以满意差别应用的需求。例如，HTTP/3和其他基于QUIC的协议可能会提供更低的耽误和更高的安全性。
  
• 物理安全：除了软件安全，未来的物联网设备可能会更加注重物理安全，包罗防拆卸、防窜改等物理保护措施。
  
• 主动化安全工具：开发主动化安全工具，帮助开发者更方便地进行安全测试和漏洞扫描，进步开发效率和安全性。
  

通过不断的技术进步和安全实践，我们可以期待未来的ESP8266设备将更加安全可靠，为物联网应用提供坚实的基础。
9. 结论

ESP8266的安全与加密机制是确保设备和数据安全的重要手段。通过合理选择和使用这些机制，开发者可以有效防止未经授权的设备接入网络、数据泄露和恶意攻击。希望本文的内容能为开发者提供有代价的参考，帮助他们在物联网应用中实现更高的安全性。
10. 参考资料

• ESP8266 WiFi Library Documentation - 官方文档提供了详细的Wi-Fi安全协议支持和示例代码。
  
• BearSSL Library Documentation - BearSSL库的官方文档，涵盖了SSL/TLS协议的实现和使用方法。
  
• ESP8266HTTPClient Library Documentation - ESP8266HTTPClient库的官方文档，介绍了如何使用HTTP客户端进行安全的数据传输。
  
• ESP8266HTTPUpdate Library Documentation - ESP8266HTTPUpdate库的官方文档，提供了通过OTA进行固件更新的方法和示例。
  
• SPIFFS File System Documentation - SPIFFS文件体系的官方文档，解释了如何使用SPIFFS进行文件存储和管理。
  
• PubSubClient Library Documentation - PubSubClient库的官方文档，介绍了如何使用MQTT协议进行安全通讯。
  
• CoAP Library Documentation - CoAP库的官方文档，提供了如何使用CoAP协议进行安全通讯的指导。
  

通过这些资料，开发者可以更深入地相识和掌握ESP8266的安全与加密技术，为构建更安全的物联网应用打下坚实的基础。

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