2017-2018-1 20155314《信息安全系统设计基础》实验五 通讯协议设计

2017-2018-1 20155314《信息安全系统设计基础》实验五 通讯协议设计

通讯协议设计-1

实验要求

• 在Ubuntu中完成 http://www.cnblogs.com/rocedu/p/5087623.html 中的作业

• 提交运行结果截图

学到的知识

1. Linux下的应用大多可以直接使用，也可以获取源代码自己进行编译、安装，使用源代码安装的过程一般是：

   • configure
   • make
   • make install

2. gcc -o test_openssl test_openssl.c -I /usr/local/ssl/include -L /usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread
   上面这句表示在编译test_openssl.c时：

   • -o test_openssl test_openssl.c：

   将test_openssl.c编译生成可执行文件test_openssl(如果不给出这个选项，gcc就给出预设的可执行文件a.out)

   • -I /usr/local/ssl/include：

   将/usr/local/ssl/include目录作为第一个寻找头文件的目录，寻找的顺序是：/usr/local/ssl/include-->/usr/include-->/usr/local/include

   • -L /usr/local/ssl/lib：

   将/usr/local/ssl/lib目录作为第一个寻找库文件的目录，寻找的顺序是：/usr/local/ssl/lib-->/lib-->/usr/lib-->/usr/local/lib

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

实验步骤

一、Linux下OpenSSL的安装

1. 访问OpenSSL的官网 http://www.openssl.org/source/ ，下载最新版本的OpenSSL：这里为了跟老师的教程同步，我选择下载教程给出的OpenSSL版本：OpenSSL 1.1.0alpha

2. 在Ubuntu ARM V12B V2.0虚拟机中使用tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz命令解压源代码；

3. 使用cd openssl-1.1.0-pre1命令进入源代码目录；

4. 使用下列命令编译安装：

   $ ./config
   $ make
   $ sudo make install
   

5. 使用make test命令测试安装是否正确：测试全部通过，表明安装无误～

二、Linux下OpenSSL的使用

OpenSSL应用程序

• 通过man openssl查看帮助文档：

OpenSSL密码算法库

• 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gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread命令编译生成可执行文件test_openssl

• 执行echo $?，结果打印0，表明测试通过，如下图：

通讯协议设计-2

实验要求

• 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

学到的知识

• 混合密码系统介绍
  

• OpenSSL流程

  • 初始化
  • 选择会话协议和创建会话环境
  • 建立SSL套接字
  • 完成SSL握手
  • 从SSL套接字中提取对方的证书信息
  • 数据传输
  • 结束SSL通信

• OpenSSL应用编程框架

  • 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 ();
    

  • 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 ();
    

实验代码

• 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 = 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\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, "server->client");
  / 发消息给客户端 */
  len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));

  if (len <= 0) {
  printf
  ("'%s'发送失败!错误代码:%d,错误信息:'%s'\n",
  buf, errno, strerror(errno));
  goto finish;
  } else
  printf("'%s'发送成功!共发送%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("'%s'接收成功!共接收%d个字节的数据!\n",
  buf, len);
  else
  printf
  ("接收失败!错误代码:%d,错误信息:'%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;

• client.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 = 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\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, "server->client");
  / 发消息给客户端 */
  len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));

  if (len <= 0) {
  printf
  ("'%s'发送失败!错误代码:%d,错误信息:'%s'\n",
  buf, errno, strerror(errno));
  goto finish;
  } else
  printf("'%s'发送成功!共发送%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("'%s'接收成功!共接收%d个字节的数据!\n",
  buf, len);
  else
  printf
  ("接收失败!错误代码:%d,错误信息:'%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;
  }

运行截图

通讯协议设计-3

实验要求

1. 运行实验箱中，ARM调用Z32算法的实验，提交实验截图

2. 用Z32的国密算法重新改写“wc服务器”的混合密码系统防护，提交运行截图

运行结果

• 未要求完成

实验中遇到的问题及解决过程

OpenSSL编译安装问题

• 问题描述：

  OpenSSL安装过程中make install时报错：
  

• 主要原因：

  被老师博客教程中写的./configure所困惑：
  我在OpenSSL安装目录中并没有找到可执行文件configure，但却发现了两个与之非常相似的可执行文件config和Configure，于是便不假思索地输入命令./Configure，导致到make install这一步时出错，错误原因未知...

• 解决方法：

  正解自然是用./config命令执行可执行文件config，再make和make install，该问题便迎刃而解了：
  

参考资料

• Linux下OpenSSL的安装与使用 - 娄老师 - 博客园
• 解决引用openssl静态库libcrypto.a和libssl.a出现undefined reference to错误的问题
• OpenSSL 简单思路和函数笔记
• OpenSSL简介
• Linux下的OpenSSL编程——openssl例子