实验五 通讯协议设计
实验内容：
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1.在Ubuntu中完成
http://www.cnblogs.com/rocedu/p/5087623.html中的作业。 -
2.作业
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两人一组。
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基于Socket实现TCP通信，一人实现服务器，一人实现客户端。
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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。
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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。
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学有余力者，对系统进行安全性分析和改进。
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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。
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4.运行实验箱中，ARM调用Z32算法的实验，提交实验截图。（待做）
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5.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。（待做）
实验步骤：
SSL/TLS协议概述
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1994年Netscape开发了SSL(Secure Socket Layer，安全套接层协议），专门用于保护Web通讯。
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它采用公钥技术，其目标是保证两个应用间通信的保密性和可靠性,可在服务器和客户机两端同时实现支持。
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现行Web浏览器普遍将HTTP和SSL相结合，从而实现安全通信。
SSL协议的使用
SSL是独立于各种协议的，常用于HTTP协议，但也可用于别的协议，如SMTP、TELNET等。
协议的目标：SSL/TLS被设计用来使用TCP提供一个可靠的端到端安全服务，为两个通讯个体之间提供保密性和完整性(身份鉴别)。
SSL/TLS提供3种标准服务：信息保密、信息完整性和双向认证。
SSL的体系结构
协议分为两层：
底层：SSL记录协议，为上层协议提供基本的安全业务。
上层：SSL握手协议、SSL修改密码说明协议、SSL警告协议，用于SSL交换过程的管理。
Linux下OpenSSL的安装
- 百度openssl找到官网进去，找到下载链接链接到Github下载指定文件。
- 在文件下载目录里输入命令解压文件。
unzip openssl-master.zip
- 解压完成后使用
cd oenpssl-master命令进入解压文件的目录中,再使用ls命令会看到这个文件里有一个ReadMe,内有详细教程。
Quick Start快速开始
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If you want to just get on with it, do:如果你只是想快速上手做好使用准备，请执行以下操作：
$ ./config
$ make
$ make test \测试一下有没有问题。
$ sudo make install
[If any of these steps fails, see section Installation in Detail below.][如果这些步骤中的任何一个失败，请参见下面的详细安装部分。]
- ./config运行截图
- make运行截图
- make test运行截图
- sudo make install运行截图
Linux下OpenSSL的使用
- 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;
}
- 用如下命令进行编译：
gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread
- 实现
echo $?进行执行，结果打印了一个0，截图如下
基于Socket实现TCP通信，一人实现服务器，一人实现客户端
-
客户端传一个文本文件给服务器。
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服务器返加文本文件中的单词数。
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
AES算法
- 对称加密：对称加密需要使用的标准命令为
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
使用下列命令对my.txt进行加密：
openssl enc -aes-128-cbc -in my.txt -out out.txt -pass pass:123456
RSA算法：
- RSA的用法如下：
openssl rsa [-inform PEM|NET|DER] [-outform PEM|NET|DER] [-in filename] [-passin arg] [-out filename] [-passout arg]
[-sgckey] [-des] [-des3] [-idea] [-text] [-noout] [-modulus] [-check] [-pubin] [-pubout] [-engine id]
常用选项：
-in filename：指明私钥文件
-out filename：指明将提取出的公钥保存至指定文件中
-pubout：根据私钥提取出公钥
RSA是一个非对称加密算法。简单说来，非对称加密算法就是说加密解密一个文件需要有两个密钥，一个用来加密，为公钥，一个用来解密，为私钥。证书可以用来授权公钥的使用。
- 首先需要进入openssl的交互界面，在命令行了输入
openssl
- 生成RSA私钥
genrsa -out rsa_private_key.pem 1024
该命令会生成1024位的私钥,此时我们就可以在当前路径下看到rsa_private_key.pem文件了。
- 生成RSA公钥
rsa -in rsa_private_key.pem -pubout -out rsa_public_key.pem
并回车，得到生成成功的结果，如下图:
- 加密文件:
在目录中创建一个hello的文本文件，然后利用此前生成的公钥加密文件：
openssl rsautl -encrypt -in hello.txt -inkey rsa_public_key.pem -pubin -out hello.e
-in指定要加密的文件，
-inkey指定密钥，
-pubin表明是用纯公钥文件加密，
-out为加密后的文件。
- 解密文件：
使用命令
openssl rsautl -decrypt -in hello.e -inkey rsa_private_key.pem -out hello.de
-in指定被加密的文件，
-inkey指定私钥文件，
-out为解密后的文件。
MD5
用oppnssl md5 加密字符串和文件的方法。
在终端中输入openssl后回车。
OpenSSL> md5 //输入md5后回车
hello 20175213 woaini //接着输入明文，不要输入回车。然后按3次ctrl+d。
hello 20175213 woaini(stdin)= 09be1a60e70c26fa6885ba52baaa71d6 //等号后面就是密文
实现对“wc服务器”的混合密码系统防护
- server服务器代码：
#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;
}
- client客户端代码：
#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;
}
- 客户端/服务器端编译方式：
gcc -o server server.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread
gcc -o client client.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
- 客户端/服务器端运行方式:
./server 7838 1 CAcert.pem privkey.pem
./client 127.0.0.1 7838
- 运行截图：
实验中遇到的问题及解决方法
问题1：
使用gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude -L /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread 编译 test_openssl.c 报错
问题1解决方法：
使用 gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread 进行编译，成功生成可执行文件，并且运行成功。
问题2：
运行中出现openssl: error while loading shared libraries: libssl.so.3: cannot open shared object file: No such file or directory的错误
问题2解决方法：
经过上网查询，发现是因为找不到库的位置造成的，但按照网上的方法
输入命令sudo ln -s /usr/local/lib/libssl.so.3 /usr/lib/libssl.so.3和sudo ln -s /usr/local/lib/libcrypto.so.3 /usr/lib/libcrypto.so.3后，发现还是没有解决。
后继续在网上寻求解决方法，发现是因为文件已经存在了，所以需要把软连接删掉。使用sudo rm -rf /usr/lib/libssl.so.3 和 sudo rm -rf /usr/lib/libcrypto.so.3 命令将它们删掉。再使用上述命令就可解决此问题。
