20155236 《信息安全系统设计基础》实验五通信协议设计

2017-2018-1 《信息安全系统设计基础》实验五通信协议设计

实验任务：

1.安装OpenSSL环境，并编写测试代码验证无误
2.研究OpenSSL算法，测试对称算法中的AES，非对称算法中的RSA，Hash算法中的MD5
3.在Ubuntu中实现对实验二中的“wc服务器”通过混合密码系统进行防护

知识梗概：

ＳＳＬ

SSL简介：
SSL是Secure Sockets Layer（安全套接层协议）
的缩写，可以在Internet上提供秘密性传输。Netscape公司在推出第一个Web浏览器的同时，提出了SSL协议标准。其目标是保证两个应用间通信的保密性和可靠性,可在服务器端和用户端同时实现支持。已经成为Internet上保密通讯的工业标准。
SSL能使用户/服务器应用之间的通信不被攻击者窃听，并且始终对服务器进行认证，还可选择对用户进行认证。SSL协议要求建立在可靠的传输层协议(TCP)之上。SSL协议的优势在于它是与应用层协议独立无关的，高层的应用层协议(例如：HTTP，FTP，TELNET等)能透明地建立于SSL协议之上。SSL协议在应用层协议通信之前就已经完成加密算法、通信密钥的协商及服务器认证工作。在此之后应用层协议所传送的数据都会被加密，从而保证通信的私密性。

ＯｐｅｎＳＳＬ

OpenSSL 是一个安全套接字层密码库，囊括主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能及SSL协议，并提供丰富的应用程序供测试或其它目的使用。
OpenSSL被曝出现严重安全漏洞后，发现多数通过SSL协议加密的网站使用名为OpenSSL的开源软件包。OpenSSL漏洞不仅影响以https开头的网站，黑客还可利用此漏洞直接对个人电脑发起“心脏出血”（Heartbleed）攻击。据分析，Windows上有大量软件使用了存在漏洞的OpenSSL代码库，可能被黑客攻击抓取用户电脑上的内存数据。
OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分：
1.密码算法库
2.SSL协议库
3.应用程序
有一篇博客已总结好，如有需要时刻方便查阅：OpenSSL简介
关于使用实例，狄维佳同学写的比较详细，我们可以参考她博客实验五中的常用指令

信息摘要

OpenSSL实现了5种信息摘要算法，分别是MD2、MD5、MDC2、SHA（SHA1）和RIPEMD。SHA算法事实上包括了SHA和SHA1两种信息摘要算法。此外，OpenSSL还实现了DSS标准中规定的两种信息摘要算法DSS和DSS1。

一：安装OpenSSL环境，并编写测试代码验证无误

安装

我们在linux环境下打开OpenSSL官网，下载该安装包。
由于提取时系统自动解压，所以我并没有使用到解压的命令，有需要的可以使用：unzip openssl-master.zip解压。
接下来就可以安装啦，中间时间比较长所以需要耐心等待一下！
命令如下：

$ ./config
$ make
$ make test
$ make install

安装测试

根据要求，我们编写一个测试代码fcg.c：

#include <stdio.h>
#include <openssl/evp.h>

int main(){
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    return 0;
}

然后用gcc -o test_openssl 你的文件名.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread命令进行编译。
PS:其中 -L之后指定的是链接库的路径，由于要导入OpenSSL所以使用-lcrypto参数

如图生成“fcg”可执行文件，运行程序，并执行echo $?，结果打印0，测试结果表明安装成功。

任务二混合密码系统防护

对称加密：

OpenSSL一共提供了8种对称加密算法，其中7种是分组加密算法，仅有的一种流加密算法是RC4。这7种分组加密算法分别是AES、DES、Blowfish、CAST、IDEA、RC2、RC5，都支持电子密码本模式（ECB）、加密分组链接模式（CBC）、加密反馈模式（CFB）和输出反馈模式（OFB）四种常用的分组密码加密模式。其中，AES使用的加密反馈模式（CFB）和输出反馈模式（OFB）分组长度是128位，其它算法使用的则是64位。事实上，DES算法里面不仅仅是常用的DES算法，还支持三个密钥和两个密钥3DES算法。
标准命令：

enc 
openssl enc -ciphername [-in filename] [-out filename] [-pass arg] [-e] [-d] [-a/-base64]
   [-A] [-k password] [-kfile filename] [-K key] [-iv IV] [-S salt] [-salt] [-nosalt] [-z] [-md]
   [-p] [-P] [-bufsize number] [-nopad] [-debug] [-none] [-engine id]

-in filename：指定要加密的文件存放路径
-out filename：指定加密后的文件存放路径
-salt：自动插入一个随机数作为文件内容加密，默认选项
-e：可以指明一种加密算法，若不指的话将使用默认加密算法
-d：解密，解密时也可以指定算法，若不指定则使用默认算法，但一定要与加密时的算法一致
-a/-base64：使用-base64位编码格式

函数介绍

调用OpenSSL的函数就可以实现一个SSL加密的安全数据传输通道，从而保护客户端和服务器之间数据的安全。

头文件：

#include <openssl/ssl.h>  
#include <openssl/err.h>

SSL库初始化：

SSL_library_init();

载入所有 SSL 算法：

OpenSSL_add_all_algorithms();

载入所有 SSL 错误消息：

SSL_load_error_strings();

产生一个 SSL_CTX：

ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
if (ctx == NULL) {
   ERR_print_errors_fp(stdout);
  exit(1);}

载入用户的数字证书：

  if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
  ERR_print_errors_fp(stdout);
  exit(1);
  }

基于 ctx 产生一个新的 SSL，并将连接用户的 socket 加入到 SSL：
```
ssl = SSL_new(ctx);
SSL_set_fd(ssl, new_server_socket_fd);
```

建立 SSL 连接：

if (SSL_accept(ssl) == -1) {
  perror("accept");
  close(new_fd);
  break;
  }

客户端与服务器传输完数据后，关闭 SSL 连接，释放 SSL：
```
SSL_shutdown(ssl);
SSL_free(ssl);
```
释放 CTX：
SSL_CTX_free(ctx);

OpenSSL应用编程框架

- Client端：

ctx = SSL_CTX_new (SSLv23_client_method());
ssl = SSL_new (ctx);
fd = socket ();
connect ();
SSL_set_fd (ssl, fd);
SSL_connect (ssl);
SSL_write ();

- Server端：

ctx = SSL_CTX_new (SSLv23_server_method());
ssl = SSL_new (ctx);
fd = socket ();
bind ();
listen ();
accept ();
SSL_set_fd (ssl, fd);
SSL_accept (ssl);
SSL_read ();

- 产品代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/evp.h>
#define MAXBUF 1024

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd, new_fd;
    socklen_t len;
    struct sockaddr_in my_addr, their_addr;
    unsigned int myport, lisnum;
    char buf[MAXBUF + 1];
    SSL_CTX *ctx;

    if (argv[1])
        myport = atoi(argv[1]);
    else
        myport = 7838;

    if (argv[2])
        lisnum = atoi(argv[2]);
    else
        lisnum = 2;

    /* SSL 库初始化 */
    SSL_library_init();
    /* 载入所有 SSL 算法 */
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    /* 载入所有 SSL 错误消息 */
    SSL_load_error_strings();
    /* 以 SSL V2 和 V3 标准兼容方式产生一个 SSL_CTX ，即 SSL Content Text */
    ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
    /* 也可以用 SSLv2_server_method() 或 SSLv3_server_method() 单独表示 V2 或 V3标准 */
    if (ctx == NULL) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 载入用户的数字证书， 此证书用来发送给客户端。 证书里包含有公钥 */
    if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 载入用户私钥 */
    if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, argv[4], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0){
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 检查用户私钥是否正确 */
    if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }

    /* 开启一个 socket 监听 */
    if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    } else
        printf("socket created
");

    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
    my_addr.sin_family = PF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(myport);
    my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof(struct sockaddr))
        == -1) {
        perror("bind");
        exit(1);
    } else
        printf("binded
");

    if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
    } else
        printf("begin listen
");

    while (1) {
        SSL *ssl;
        len = sizeof(struct sockaddr);
        /* 等待客户端连上来 */
        if ((new_fd =
             accept(sockfd, (struct sockaddr *) &their_addr,
                    &len)) == -1) {
            perror("accept");
            exit(errno);
        } else
            printf("server: got connection from %s, port %d, socket %d
",
                   inet_ntoa(their_addr.sin_addr),
                   ntohs(their_addr.sin_port), new_fd);

        /* 基于 ctx 产生一个新的 SSL */
        ssl = SSL_new(ctx);
        /* 将连接用户的 socket 加入到 SSL */
        SSL_set_fd(ssl, new_fd);
        /* 建立 SSL 连接 */
        if (SSL_accept(ssl) == -1) {
            perror("accept");
            close(new_fd);
            break;
        }

        /* 开始处理每个新连接上的数据收发 */
        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        strcpy(buf, "server->client");
        /* 发消息给客户端 */
        len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));

        if (len <= 0) {
            printf
                ("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'
",
                 buf, errno, strerror(errno));
            goto finish;
        } else
            printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！
",
                   buf, len);

        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        /* 接收客户端的消息 */
        len = SSL_read(ssl, buf, MAXBUF);
        if (len > 0)
            printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据
",
                   buf, len);
        else
            printf
                ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'
",
                 errno, strerror(errno));
        /* 处理每个新连接上的数据收发结束 */
      finish:
        /* 关闭 SSL 连接 */
        SSL_shutdown(ssl);
        /* 释放 SSL */
        SSL_free(ssl);
        /* 关闭 socket */
        close(new_fd);
    }
    /* 关闭监听的 socket */
    close(sockfd);
    /* 释放 CTX */
    SSL_CTX_free(ctx);
    return 0;
}

telent1.c:

#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <errno.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <resolv.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <unistd.h>  
#include <openssl/ssl.h>  
#include <openssl/err.h>
#include <openssl/evp.h>
#define MAXBUF 1024  
  
void ShowCerts(SSL * ssl)  
{  
    X509 *cert;  
    char *line;  
  
    cert = SSL_get_peer_certificate(ssl);  
    if (cert != NULL) {  
        printf("数字证书信息:
");  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);  
        printf("证书: %s
", line);  
        free(line);  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);  
        printf("颁发者: %s
", line);  
        free(line);  
       X509_free(cert);  
    } else  
        printf("无证书信息！
");  
}  
  
int main(int argc, char **argv)  
{  
    int sockfd, len;  
    struct sockaddr_in dest;  
    char buffer[MAXBUF + 1];  
    SSL_CTX *ctx;  
    SSL *ssl;  
  
    if (argc != 3) {  
        printf("参数格式错误！正确用法如下：
		%s IP地址 端口
	比如:	%s 127.0.0.1 80
此程序用来从某个"  
             "IP 地址的服务器某个端口接收最多 MAXBUF 个字节的消息",  
             argv[0], argv[0]);  
        exit(0);  
    }  
  
    /* SSL 库初始化，参看 ssl-server.c 代码 */  
    SSL_library_init();  
    OpenSSL_add_all_algorithms();  
    SSL_load_error_strings();  
    ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());  
    if (ctx == NULL) {  
        ERR_print_errors_fp(stdout);  
        exit(1);  
    }  
  
    /* 创建一个 socket 用于 tcp 通信 */  
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {  
        perror("Socket");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("socket created
");  
  
    /* 初始化服务器端（对方）的地址和端口信息 */  
    bzero(&dest, sizeof(dest));  
    dest.sin_family = AF_INET;  
    dest.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  
    if (inet_aton(argv[1], (struct in_addr *) &dest.sin_addr.s_addr) == 0) {  
        perror(argv[1]);  
        exit(errno);  
    }  
    printf("address created
");  
  
    /* 连接服务器 */  
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) {  
        perror("Connect ");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("server connected
");  
  
    /* 基于 ctx 产生一个新的 SSL */  
    ssl = SSL_new(ctx);  
    SSL_set_fd(ssl, sockfd);  
    /* 建立 SSL 连接 */  
    if (SSL_connect(ssl) == -1)  
        ERR_print_errors_fp(stderr);  
    else {  
        printf("Connected with %s encryption
", SSL_get_cipher(ssl));  
        ShowCerts(ssl);  
    }  
  
    /* 接收对方发过来的消息，最多接收 MAXBUF 个字节 */  
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);  
    /* 接收服务器来的消息 */  
    len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);  
    if (len > 0)  
        printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据
",  
               buffer, len);  
    else {  
        printf  
            ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'
",  
             errno, strerror(errno));  
        goto finish;  
    }  
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);  
    strcpy(buffer, "from client->server");  
    /* 发消息给服务器 */  
    len = SSL_write(ssl, buffer, strlen(buffer));  
    if (len < 0)  
        printf  
            ("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'
",  
             buffer, errno, strerror(errno));  
    else  
        printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！
",  
               buffer, len);  
  
  finish:  
    /* 关闭连接 */  
    SSL_shutdown(ssl);  
    SSL_free(ssl);  
    close(sockfd);  
    SSL_CTX_free(ctx);  
    return 0;  
}

运行结果：

重点：

1.建立SSL套接字

SSL套接字是建立在普通的TCP套接字基础之上，在建立SSL套接字时可以使用下面的一些函数：

SSL *SSl_new(SSL_CTX *ctx);//申请一个SSL套接字

int SSL_set_fd(SSL *ssl,int fd);)//绑定读写套接字

int SSL_set_rfd(SSL *ssl,int fd);//绑定只读套接字

int SSL_set_wfd(SSL *ssl,int fd);//绑定只写套接字

2.完成SSL握手

在成功创建SSL套接字后，客户端应使用函数SSL_connect( )替代传统的函数connect( )来完成握手过程:
int SSL_connect(SSL *ssl);
而对服务器来讲，则应使用函数SSL_ accept ( )替代传统的函数accept ( )来完成握手过程:
int SSL_accept(SSL *ssl);
握手过程完成之后，通常需要询双方的证书信息，以便进行相应的验证，这可以借助于下面的函数来实现：
X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *ssl);

该函数可以从SSL套接字中提取对方的证书信息，这些信息已经被SSL验证过了。

X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a);
该函数得到证书所用者的名字。

参考资料：

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原文地址：https://www.cnblogs.com/fcgfcgfcg/p/8052244.html

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