MQTT协议安全分析与条件竞争漏洞利用
字数 1817 2025-12-17 12:18:44

MQTT协议安全分析与条件竞争漏洞利用教学文档

一、MQTT协议概述

1.1 什么是MQTT

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级、基于发布/订阅模式的网络通信协议，专为低带宽、高延迟、不可靠的网络环境（如物联网IoT场景）设计。

1.2 MQTT基本组成

组件 说明
客户端(Client) 发布或订阅消息的设备（如手机、传感器、服务器）
代理服务器(Broker) 消息中枢，负责接收所有消息并转发给订阅者（如Mosquitto、EMQX、HiveMQ）
主题(Topic) 消息的"地址"或"频道"，用于路由消息

二、MQTT环境搭建

2.1 MQTT Broker部署

MQTT Broker是MQTT协议架构中的核心组件，扮演"消息中枢"或"通信枢纽"的角色。推荐使用Mosquitto：

  • 启动后默认监听1883端口
  • 可前台运行并指定监听端口

2.2 C语言MQTT客户端开发

使用Eclipse Paho C客户端库进行开发：

关键函数详解

MQTTClient_create参数说明：

参数：
- handle：指向MQTTClient类型变量的指针
- serverURI：Broker地址（tcp://host:port、ssl://host:port、ws://host:port/path）
- clientId：必须唯一！Broker用它识别客户端
- persistence_type：持久化方式
- persistence_context：持久化上下文

持久化类型：

类型 宏定义 说明
无持久化 MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE 所有状态仅保存在内存中，程序退出后消息丢失
默认文件持久化 MQTTCLIENT_PERSISTENCE_DEFAULT 状态保存到本地文件，重启后可恢复
用户自定义持久化 MQTTCLIENT_PERSISTENCE_USER 开发者提供持久化函数

MQTTClient_setCallbacks：

  • 为MQTT客户端注册回调函数
  • 在特定事件发生时自动触发用户自定义处理逻辑

MQTTClient_subscribe参数：

参数：
- handle：有效的MQTT客户端句柄
- topic：主题字符串（支持+匹配单级、#匹配多级）
- qos：客户端希望以什么QoS接收消息（0/1/2）

MQTTClient_publishMessage：

  • 用于发布消息到指定主题

2.3 心跳机制（Keep Alive）

MQTT心跳是用于检测客户端与Broker之间连接有效性的保活机制。

工作机制：

  1. 客户端在CONNECT报文中指定保活间隔（秒）
  2. 如果在指定时间内没有发送任何MQTT报文，Broker认为客户端离线
  3. 通过设置conn_opts.keepAliveInterval来配置心跳间隔

三、MQTT安全风险分析

3.1 认证缺失风险

如果Broker没有实施任何认证措施：

  • 任何客户端都可以连接到Broker
  • 可以接收所有订阅的主题消息
  • 可以向任意主题发送数据
  • 可能通过主题内容获取敏感信息

3.2 实际漏洞案例：pcb_2025-Heartbeat_Out_of_Bounds

漏洞分析

  1. 程序功能：程序订阅了diag主题，通过diag主题发送数据与题目交互
  2. 回调函数：使用cjson库解析JSON数据
  3. 认证机制：存在加密认证函数，密文会循环打印在sub_1E1A函数中

漏洞细节

  1. 命令注入漏洞：在set_vin分支存在命令注入漏洞
  2. 安全检查：输入检查只允许字符和数字，阻止特殊字符输入
  3. 时间窗口：命令检查和执行之间存在2秒时延
  4. 进程处理：启动子进程处理命令

条件竞争漏洞利用

利用原理：

  1. 首先传入正常的命令通过检查
  2. 在2秒等待时间内再次传入恶意命令
  3. 利用时间差绕过安全检查

EXP利用步骤：

  1. 通过认证机制获取合法访问权限
  2. 向set_vin分支发送合法命令通过检查
  3. 在2秒时间窗口内发送包含特殊字符的恶意命令
  4. 实现命令注入执行

四、安全防护建议

4.1 Broker安全配置

  1. 启用身份认证机制
  2. 实施访问控制列表（ACL）
  3. 使用TLS加密通信
  4. 定期更新Broker软件

4.2 客户端安全开发

  1. 输入验证和过滤
  2. 避免使用系统命令执行
  3. 实施适当的错误处理
  4. 使用安全的编码实践

4.3 条件竞争漏洞防护

  1. 消除不必要的时间延迟
  2. 实施原子操作
  3. 使用锁机制保护临界区
  4. 在关键操作前后进行完整性检查

五、总结

MQTT协议在物联网环境中广泛应用，但其安全性往往被忽视。通过分析实际漏洞案例，特别是条件竞争漏洞的利用方式，可以帮助开发人员和安全研究人员更好地理解MQTT协议的安全风险，并采取相应的防护措施。

MQTT协议安全分析与条件竞争漏洞利用教学文档 一、MQTT协议概述 1.1 什么是MQTT MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级、基于发布/订阅模式的网络通信协议，专为低带宽、高延迟、不可靠的网络环境（如物联网IoT场景）设计。 1.2 MQTT基本组成 | 组件 | 说明 | |------|------| | 客户端(Client) | 发布或订阅消息的设备（如手机、传感器、服务器） | | 代理服务器(Broker) | 消息中枢，负责接收所有消息并转发给订阅者（如Mosquitto、EMQX、HiveMQ） | | 主题(Topic) | 消息的"地址"或"频道"，用于路由消息 | 二、MQTT环境搭建 2.1 MQTT Broker部署 MQTT Broker是MQTT协议架构中的核心组件，扮演"消息中枢"或"通信枢纽"的角色。推荐使用Mosquitto： 启动后默认监听1883端口 可前台运行并指定监听端口 2.2 C语言MQTT客户端开发 使用Eclipse Paho C客户端库进行开发： 关键函数详解 MQTTClient_ create参数说明： 持久化类型： | 类型 | 宏定义 | 说明 | |------|--------|------| | 无持久化 | MQTTCLIENT_ PERSISTENCE_ NONE | 所有状态仅保存在内存中，程序退出后消息丢失 | | 默认文件持久化 | MQTTCLIENT_ PERSISTENCE_ DEFAULT | 状态保存到本地文件，重启后可恢复 | | 用户自定义持久化 | MQTTCLIENT_ PERSISTENCE_ USER | 开发者提供持久化函数 | MQTTClient_ setCallbacks： 为MQTT客户端注册回调函数 在特定事件发生时自动触发用户自定义处理逻辑 MQTTClient_ subscribe参数： MQTTClient_ publishMessage： 用于发布消息到指定主题 2.3 心跳机制（Keep Alive） MQTT心跳是用于检测客户端与Broker之间连接有效性的保活机制。 工作机制： 客户端在CONNECT报文中指定保活间隔（秒） 如果在指定时间内没有发送任何MQTT报文，Broker认为客户端离线 通过设置 conn_opts.keepAliveInterval 来配置心跳间隔 三、MQTT安全风险分析 3.1 认证缺失风险 如果Broker没有实施任何认证措施： 任何客户端都可以连接到Broker 可以接收所有订阅的主题消息 可以向任意主题发送数据 可能通过主题内容获取敏感信息 3.2 实际漏洞案例：pcb_ 2025-Heartbeat_ Out_ of_ Bounds 漏洞分析 程序功能 ：程序订阅了diag主题，通过diag主题发送数据与题目交互 回调函数 ：使用cjson库解析JSON数据 认证机制 ：存在加密认证函数，密文会循环打印在sub_ 1E1A函数中 漏洞细节 命令注入漏洞 ：在set_ vin分支存在命令注入漏洞 安全检查 ：输入检查只允许字符和数字，阻止特殊字符输入 时间窗口 ：命令检查和执行之间存在2秒时延 进程处理 ：启动子进程处理命令 条件竞争漏洞利用 利用原理： 首先传入正常的命令通过检查 在2秒等待时间内再次传入恶意命令 利用时间差绕过安全检查 EXP利用步骤： 通过认证机制获取合法访问权限 向set_ vin分支发送合法命令通过检查 在2秒时间窗口内发送包含特殊字符的恶意命令 实现命令注入执行 四、安全防护建议 4.1 Broker安全配置 启用身份认证机制 实施访问控制列表（ACL） 使用TLS加密通信 定期更新Broker软件 4.2 客户端安全开发 输入验证和过滤 避免使用系统命令执行 实施适当的错误处理 使用安全的编码实践 4.3 条件竞争漏洞防护 消除不必要的时间延迟 实施原子操作 使用锁机制保护临界区 在关键操作前后进行完整性检查 五、总结 MQTT协议在物联网环境中广泛应用，但其安全性往往被忽视。通过分析实际漏洞案例，特别是条件竞争漏洞的利用方式，可以帮助开发人员和安全研究人员更好地理解MQTT协议的安全风险，并采取相应的防护措施。