1. 引言

在物联网（IoT）和嵌入式系统领域，安全通信是关键问题之一。TLS（Transport Layer Security）协议广泛用于保障数据传输安全，而 TLS 1.3 作为最新版本，相较于前代协议，减少了握手延迟，增强了安全性。然而，资源受限设备（如微控制器、低功耗嵌入式系统）往往面临计算能力、内存和功耗的限制，直接采用完整的 TLS 1.3 实现可能会带来较大的开销。因此，如何在这些设备上高效运行 TLS 1.3，是一个值得研究的话题。

2. TLS 1.3 相较于前代版本的优化

相比 TLS 1.2，TLS 1.3 进行了多项优化，使其更适合资源受限环境：

· 握手阶段简化：

o 采用 1-RTT（单轮往返时间）握手方式，提高连接速度。

o 移除了冗余的密码套件（Cipher Suite），只支持 AEAD（认证加密）模式，如 AES-GCM 和 ChaCha20-Poly1305。

· 减少密钥交换计算：

o 仅支持基于椭圆曲线 Diffie-Hellman (ECDHE) 的密钥交换，避免使用计算量更大的 RSA。

· 更小的消息头：

o 改进协议格式，减少数据包长度，降低带宽开销。

· 前向安全（Forward Secrecy）：

o 每次连接使用新的会话密钥，避免长期密钥泄露带来的安全风险。

3. 资源受限设备面临的挑战

尽管 TLS 1.3 进行了优化，但在资源受限设备上实现仍然面临以下挑战：

· 计算能力受限：

o TLS 1.3 依赖强加密算法，如 AES-GCM 或 ChaCha20，计算复杂度较高，对低功耗 MCU（如 Cortex-M 级别）是挑战。

· 内存占用高：

o TLS 堆栈通常需要几十 KB 甚至上百 KB 的 RAM 和 Flash，资源受限设备可能无法满足需求。

· 功耗问题：

o 长时间的加解密计算会增加功耗，不适用于电池供电设备。

· 网络通信开销：

o IoT 设备通常使用窄带通信（如 LoRa、NB-IoT），需要减少数据传输量。

4. TLS 1.3 的轻量化实现策略

为了解决以上问题，可以采用以下优化方案，使 TLS 1.3 适用于资源受限设备。

4.1 选择轻量级 TLS 库

目前已有多个轻量级 TLS 库支持 TLS 1.3，适合嵌入式开发，如：

· mbedTLS（原 PolarSSL）

o 适用于小型嵌入式设备，支持 TLS 1.3，优化了存储和计算。

· wolfSSL

o 提供较小的代码体积和优化的性能，适用于嵌入式系统。

· BearSSL

o 轻量级，内存占用低，适合极小型设备（如 32KB RAM 的 MCU）。

4.2 使用高效的加密算法

· ChaCha20-Poly1305 代替 AES-GCM：

o 在没有 AES 硬件加速的 MCU 上，ChaCha20 的性能优于 AES。

· 利用硬件加速：

o 现代 MCU（如 STM32、ESP32）提供 AES、SHA 硬件加速，可以极大减少 CPU 负担。

4.3 降低握手开销

· 预共享密钥（PSK）模式：

o 在 IoT 设备与服务器之间预共享密钥，减少密钥交换计算。

· 会话恢复（Session Resumption）：

o 允许设备重用上次连接的密钥，减少握手时间。

4.4 精简 TLS 代码

· 仅保留必要的功能：

o 关闭不必要的特性，如客户端证书验证（对于大多数 IoT 设备，客户端验证需求较低）。

· 减少日志和调试信息：

o 关闭日志输出，减少 Flash 和 RAM 占用。

5. 实践案例：在 STM32 上实现轻量级 TLS 1.3

5.1 选用 mbedTLS 作为 TLS 组件

mbedTLS 是一个适用于嵌入式系统的轻量级 TLS 库，支持 TLS 1.3。下面是在 STM32（如 STM32F4）上移植 mbedTLS 的基本步骤：

1. 获取 mbedTLS

2. git clone https://github.com/ARMmbed/mbedtls.git

3. 配置编译选项（mbedtls_config.h）

o 仅启用必要的加密算法（如 ChaCha20-Poly1305）。

o 关闭不需要的特性，如 RSA 和不必要的调试功能。

4. 集成到 STM32 工程

o 使用 STM32CubeMX 生成 FreeRTOS 和 LwIP 网络栈。

o 将 mbedTLS 库添加到 STM32 工程中。

5. 初始化 TLS 连接

6. mbedtls_ssl_init(&ssl);

7. mbedtls_ssl_config_init(&conf);

8. mbedtls_ssl_setup(&ssl, &conf);

9. 建立安全连接

o 通过 mbedtls_ssl_handshake() 进行 TLS 握手。

o 发送和接收加密数据。

5.2 运行效果

· 代码大小控制在 50 KB 左右（相比完整 OpenSSL，体积减少 10 倍）。

· 在 STM32F4 上，握手时间约 100~200ms，数据传输加解密速度可接受。

· 通过 PSK 进一步减少握手时间。

6. 结论

TLS 1.3 相较于 TLS 1.2 更加高效安全，但在资源受限设备上直接实现仍然面临挑战。通过选择合适的 TLS 库（如 mbedTLS、wolfSSL）、优化加密算法（如 ChaCha20）、减少握手开销（如 PSK、会话恢复）以及裁剪 TLS 代码，可以有效降低资源消耗，使 TLS 1.3 适用于嵌入式 IoT 设备。在实际应用中，开发者需要结合具体硬件平台，选择最佳优化策略，以平衡安全性与性能。

未来，随着更高效的轻量级安全协议（如 DTLS 1.3）发展，嵌入式安全通信将进一步提升，为物联网设备提供更强的安全保障。