2018-2019-1 20165324《信息安全系统设计基础》实验五

2018-2019-1 20165324《信息安全系统设计基础》实验五

背景知识

• 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。

• OpenSSL是一个强大的安全套接字层密码库，Apache使用它加密HTTPS，OpenSSH使用它加密SSH，但是，你不应该只将其作为一个库来使用，它还是一个多用途的、跨平台的密码工具。

• 基本功能，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

• OpenSSL的目录结构自然也是围绕这三个功能部分进行规划的。

• 作为一个基于密码学的安全开发包，OpenSSL提供的功能相当强大和全面，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。

任务一

• OpenSSL的安装

1. 首先解压源代码：
   tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz
2. 然后进入源代码目录：
   cd openssl-1.1.0-pre1
3. 然后使用下列命令编译安装：

./config

make

make test

sudo make install

• 安装后进行测试：编写test_openssl.c文件进行测试：

#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“test_openssl”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。

• 运行截图：

• gcc的相关复习：

1. gcc -E source_file.c
   -E，只执行到预编译。直接输出预编译结果。

2. gcc -S source_file.c
   -S，只执行到源代码到汇编代码的转换，输出汇编代码。

3. gcc -c source_file.c
   -c，只执行到编译，输出目标文件。

4. gcc (-E/S/c/) source_file.c -o output_filename
   -o, 指定输出文件名，可以配合以上三种标签使用。
   -o 参数可以被省略。这种情况下编译器将使用以下默认名称输出：
   -E：预编译结果将被输出到标准输出端口（通常是显示器）
   -S：生成名为source_file.s的汇编代码
   -c：生成名为source_file.o的目标文件。
   无标签情况：生成名为a.out的可执行文件。

5. gcc -g source_file.c
   -g，生成供调试用的可执行文件，可以在gdb中运行。由于文件中包含了调试信息因此运行效率很低，且文件也大不少。
   这里可以用strip命令重新将文件中debug信息删除。这是会发现生成的文件甚至比正常编译的输出更小了，这是因为strip把原先正常编译中的一些额外信息（如函数名之类）也删除了。用法为 strip a.out

6. gcc -s source_file.c
   -s, 直接生成与运用strip同样效果的可执行文件（删除了所有符号信息）。

7. gcc -O source_file.c
   -O（大写的字母O），编译器对代码进行自动优化编译，输出效率更高的可执行文件。
   -O 后面还可以跟上数字指定优化级别，如：
   gcc -O2 source_file.c
   数字越大，越加优化。但是通常情况下，自动的东西都不是太聪明，太大的优化级别可能会使生成的文件产生一系列的bug。一般可选择2；3会有一定风险。

8. gcc -Wall source_file.c
   -W，在编译中开启一些额外的警告（warning）信息。-Wall，将所有的警告信息全开。

9. gcc source_file.c -L/path/to/lib -lxxx -I/path/to/include
   -l, 指定所使用到的函数库，本例中链接器会尝试链接名为libxxx.a的函数库。
   -L，指定函数库所在的文件夹，本例中链接器会尝试搜索/path/to/lib文件夹。
   -I, 指定头文件所在的文件夹，本例中预编译器会尝试搜索/path/to/include文件夹。

任务二

• OpenSSL是一个开放源代码的SSL协议的产品实现，它采用C语言作为开发语言，具备了跨系统的性能。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。
• 基于OpenSSL的程序遵循的以下基本步骤：

1. OpenSSL初始化。
2. 选择会话协议。
3. 创建会话环境。
4. 建立SSL套接字。
5. 完成SSL握手。
6. 进行数据传输。
7. 结束SSL通信。

• 产品代码：

/*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
");

    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;
}

/*telent.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;  
}  

• 编译方式:

gcc -o server server.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread
gcc -o telent telent.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread

• 生产私钥和证书

openssl genrsa -out privkey.pem 1024
openssl req -new -x509 -key privkey.pem -out CAcert.pem -days 1095

• 程序运行方式:

./server 7838 1 CAcert.pem privkey.pem
./telent 127.0.0.1 7838

• 运行截图：