2018-2019 1 20165203 实验五 通用协议设计

2018-2019 1 20165203 实验五 通用协议设计

OpenSSL学习

• 定义：OpenSSL是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议，囊括了主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能以及SSL协议，并提供了丰富的应用程序供测试或其它目的使用。
• 基本功能：
• • 密码算法库
• • SSL协议库
• • 应用程序
• 其中：密码算法库是一个强大完整的密码算法库，它是OpenSSL的基础部分，也是很值得一般密码安全技术人员研究的部分，它实现了目前大部分主流的密码算法和标准。主要包括对称算法、非对称算法、散列算法、数字签名和认证、X509数字证书标准、PKCS12、PKCS7等标准。其他两个功能部分SSL协议和应用程序都是基于这个库开发的。
• 在密码算法库的基础上实现的，SSL协议部分完全实现和封装了SSL协议的三个版本和TLS协议。使用协议库，完全可以建立一个SSL服务器和SSL客户端。
• 应用程序是基于密码算法库和SSL协议库实现的命令，熟悉OpenSSL可以从使用这些应用程序开始。应用程序覆盖了密码技术的应用，主要包括了各种算法的加密程序和各种类型密钥的产生程序(如RSA、Md5、Enc等等)、证书签发和验证程序（如Ca、X509、Crl等）、SSL连接测试程序（如S_client和S_server等）以及其它的标准应用程序（如Pkcs12和Smime等）。

任务一

两人一组
基于Socket实现TCP通信，一人实现服务器，一人实现客户端
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
选用合适的算法，基于混合密码系统实现对TCP通信进行机密性、完整性保护。
学有余力者，对系统进行安全性分析和改进。  

• 实验步骤：
  1.安装Openssl。
• 在虚拟机的Linux系统中前往Openssl官网，下载openssl-master.zip。
• 下载完毕后，利用unzip openssl-master.zip命令解压，解压后如图所示。

• 利用如下命令进行安装。

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

• 安装完毕即可。

2.进行安装测试。

• 编写一个测试代码test_openssl.c

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

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

• 使用命令gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread进行编译，生成“test_openssl”可执行文件，运行。接下来，执行echo $?,打印出的结果是0，则代表运行成功。
  

• 命令的学习：

-L选项——指定链接库的文件夹地址；
-lcrypto——导入OpenSSL所需包；
-ldl选项——加载动态库；
-lpthread选项——链接POSIX thread库    

3.基于Socket实现TCP通信，实现服务器和客户端的通信。连接后，如图所示。

4.选用合适的算法，基于混合密码系统实现对TCP通信进行机密性、完整性保护。

• AES

编写代码aes.c

#include <memory.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <openssl/aes.h>
#pragma comment(lib,"libeay32.lib")
int main(int argc, char **argv)
{
    unsigned char buf[512];
    unsigned char buf2[512];
    unsigned char buf3[512];
    unsigned char aes_keybuf[32];
    memset(buf,1,sizeof(buf));    
    memset(buf,0,sizeof(buf2));    
    memset(buf,0,sizeof(buf3));
    memset(aes_keybuf,0,sizeof(aes_keybuf));
    AES_KEY aeskey;
    AES_set_encrypt_key(aes_keybuf,256,&aeskey);
    for(int i=0;i<sizeof(buf);i+=16)
    AES_encrypt(buf+i,buf2+i,&aeskey);
    AES_set_decrypt_key(aes_keybuf,256,&aeskey);
    for(int i=0;i<sizeof(buf);i+=16)
    AES_decrypt(buf2+i,buf3+i,&aeskey);
    if(memcmp(buf,buf3,sizeof(buf))==0)
        printf("test success\r\n");
    else
        printf("test fail\r\n");
}  

使用gcc aes.c -o aes -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread进行编译，并运行，运行完结果如图所示。

• RSA算法

编写rsa.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<openssl/rsa.h>
#include<openssl/pem.h>
#include<openssl/err.h>
#define OPENSSLKEY "test.key"
#define PUBLICKEY "test_pub.key"
#define BUFFSIZE 1024
char* my_encrypt(char *str,char *path_key);//加密
char* my_decrypt(char *str,char *path_key);//解密
int main(void){
    char *source="I'm 20165203xyx who is a nice student.";
    char *ptr_en,*ptr_de;
    printf("source is    :%s\n",source);
    ptr_en=my_encrypt(source,PUBLICKEY);
    printf("after encrypt:%s\n",ptr_en);
    ptr_de=my_decrypt(ptr_en,OPENSSLKEY);
    printf("after decrypt:%s\n",ptr_de);
    if(ptr_en!=NULL){
        free(ptr_en);
    }   
    if(ptr_de!=NULL){
        free(ptr_de);
    }   
    return 0;
}
char *my_encrypt(char *str,char *path_key){
    char *p_en;
    RSA *p_rsa;
    FILE *file;
    int flen,rsa_len;
    if((file=fopen(path_key,"r"))==NULL){
        perror("open key file error");
        return NULL;    
    }   
    if((p_rsa=PEM_read_RSA_PUBKEY(file,NULL,NULL,NULL))==NULL){
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        return NULL;
    }   
    flen=strlen(str);
    rsa_len=RSA_size(p_rsa);
    p_en=(unsigned char *)malloc(rsa_len+1);
    memset(p_en,0,rsa_len+1);
    if(RSA_public_encrypt(rsa_len,(unsigned char *)str,(unsigned char*)p_en,p_rsa,RSA_NO_PADDING)<0){
        return NULL;
    }
    RSA_free(p_rsa);
    fclose(file);
    return p_en;
}
char *my_decrypt(char *str,char *path_key){
    char *p_de;
    RSA *p_rsa;
    FILE *file;
    int rsa_len;
    if((file=fopen(path_key,"r"))==NULL){
        perror("open key file error");
        return NULL;
    }
    if((p_rsa=PEM_read_RSAPrivateKey(file,NULL,NULL,NULL))==NULL){
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        return NULL;
    }
    rsa_len=RSA_size(p_rsa);
    p_de=(unsigned char *)malloc(rsa_len+1);
    memset(p_de,0,rsa_len+1);
    if(RSA_private_decrypt(rsa_len,(unsigned char *)str,(unsigned char*)p_de,p_rsa,RSA_NO_PADDING)<0){
        return NULL;
    }
    RSA_free(p_rsa);
    fclose(file);
    return p_de;
}  

同样的方法编译运行，得到结果，成功。

• MD5算法。

#define _GNU_SOURCE

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <stdlib.h>

#include <errno.h>

#include <ctype.h>

#include "openssl/md5.h"

MD5_CTX  md5_ctx;
static int MD5mod(const char* str, int length, int mod){

    char sign[16] = {0};

    MD5_Init(&md5_ctx);

    MD5_Update(&md5_ctx, str, length);

    MD5_Final(sign, &md5_ctx);

    printf("digest:%s\n",sign);

    int sum = 0;

    for (int i=0; i < 16; i ++) {

        sum += (sign[i]&0xff);

    }

    int offset = sum % mod;

    return offset;

}

int main(int argc, char** argv)

{

    if( argc < 4){

        fprintf(stderr, "%s num infile outfile\n", argv[0]);

        exit(-1);

    }

    int num = atoi(argv[1]) ;

    if( num <= 0){

        fprintf(stderr, "ERROR: num error: %s\n", argv[1]);

        exit(-1);

    }

    FILE* in = fopen(argv[2], "r");

    if( in == NULL){

        perror("fopen");

        fprintf(stderr, "ERROR: infile error: %s\n", argv[2]);

        exit(-1);

    }
    FILE** OUT = (FILE**)malloc(sizeof(FILE*) * num);

    for(int i=0; i<num; ++i){

        char buf[256] = {0};

        sprintf(buf, "%s_%d", argv[3], i);

        OUT[i] = fopen(buf, "w");

        if( OUT[i] == NULL){

            perror("fopen");

            fprintf(stderr, "ERROR: infile error: %s\n", argv[2]);

            exit(-1);

        }

    }
    size_t len = 0;
    ssize_t read;
    char * line = NULL;

    while ((read = getline(&line, &len, in)) != -1) {

        int  klen = 0;

        while( klen < read ){

            if( isspace( *(line+klen)) ) break;

            klen++;
        }

     //   char id[256]={0};

     //   strncpy(id, line, klen);

     //   printf("id=%s\tklen=%d\tread=%ld\tline=%s", id, klen, read, line);

        fprintf(OUT[MD5mod(line, klen, num)], "%s", line);

    }

    if(line) free(line);
    return 0;
}  

编译运行，如图所示。

任务二

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
提交测试截图  

1. 学习wc服务器模式如下。

2. 编写代码如下。

server.c

#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 = 5227;

    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\n");

    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\n");

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

    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\n",
                   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, "hello");
        /* 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'\n",
                 buf, errno, strerror(errno));
            goto finish;
        } else
            printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！\n",
                   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\n",
                   buf, len);
        else
            printf
                ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
                 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;
}  

talent.c

#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 = 5227;

    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\n");

    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\n");

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

    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\n",
                   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, "hello");
        /* 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'\n",
                 buf, errno, strerror(errno));
            goto finish;
        } else
            printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！\n",
                   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\n",
                   buf, len);
        else
            printf
                ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
                 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;
}  

3. 编译运行。

• 使用gcc -o server server.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread编译server.c。
• 使用gcc -o telent telent.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread
• 使用openssl genrsa -out privkey.pem 1024 openssl req -new -x509 -key privkey.pem -out CAcert.pem -days 1095来生产私钥和证书。
• 使用./server 5203 1 CAcert.pem privkey.pem ./telent 127.0.0.1 5203来运行。

运行后如图所示。

实验中出现的问题及解答。

Q1：安装openssl时出现如图所示问题。

A1：将“openssl-master”文件夹下的“libcrypto.a”和“libssl.a”放在/usr/local/ssl/lib目录下（注意使用sudo权限），编译时链接这个目录即可。

Q2：编译任务2时出现如图所示问题。

A2：要使用命令gcc -o server server.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread来进行相应的库链接。

实验感想

本次实验我们主要学习了Openssl的主要内容结构和用法，该实验还与计算机网络和密码学的相关知识结合起来，更符合我们信息安全专业的特点，也学到了很多知识。
本学期该课的实验就要结束了，但是学习知识的脚步要永远进行着，生命不息，学习不止，只有不断学习新知识才会一直进步。