2017-2018-1 20155336 《信息安全系统设计基础》实验五 通信协议设计

2017-2018-1 20155336 实验五 通信协议设计

Openssl简介

• 在做实验之前，我们先了解一下什么是Openssl!openssl是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。电脑管家分析，OpenSSL被曝发现严重安全漏洞后，多数SSL加密网站使用名为OpenSSL的开源软件包，由于这也是互联网应用最广泛的安全传输方法，被网银、在线支付、电商网站、门户网站、电子邮件等重要网站广泛使用，所以漏洞影响范围广大。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PC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：密码算法库、SSL协议库以及应用程序。
• BIO机制是OpenSSL提供的一种高层IO接口，该接口封装了几乎所有类型的IO接口，如内存访问、文件访问以及Socket等。这使得代码的重用性大幅度提高，OpenSSL提供API的复杂性也降低了很多。
• OpenSSL对于随机数的生成和管理也提供了一整套的解决方法和支持API函数。随机数的好坏是决定一个密钥是否安全的重要前提。
• OpenSSL还提供了其它的一些辅助功能，如从口令生成密钥的API，证书签发和管理中的配置文件机制等等。如果你有足够的耐心，将会在深入使用OpenSSL的过程慢慢发现很多这样的小功能，让你不断有新的惊喜。

任务一：Linux下OpenSSL的安装与测试

• 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

步骤一：tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz解压已经下载好的文件

步骤二：安装

./config
make
make test
make install

步骤三：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;
    }
  

  

步骤四：编译运行

	- gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread
	- 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

什么是混合密码系统：

基础openssl模块了解学习

• 头文件：

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

• SSL_CTX *ctx=NULL; /* SSL会话环境 */

• SSL *ssl=NULL; /* SSL安全套接字 */

• 建立学习环境

    建立一个供调试的openssl环境，可以是windows平台，也可以是linux或者其他平台。用户需有在这些平台下调试源代码的能力。
  

• 学习openssl的命令

    通过openssl命令的学习，对openssl有基本的了解。	
  

• 为SSL会话加载用户证书

    if( 0>=SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, "./cacert.pem"
    SSL_FILETYPE_PEM/*SSL_FILETYPE_ASN1*/) )
  

• 为SSL会话加载用户私钥

    if( 0>=SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, "./privkey.pem"
    SSL_FILETYPE_PEM/*SSL_FILETYPE_ASN1*/) )
  

• SSL层握手

     if( -1==SSL_accept(ssl) )	
  

• 关闭SSL套接字

    SSL_shutdown(SSL *ssl);
  

• 释放SSL套接字

    SSl_free(SSL *ssl);
  

• 释放SSL会话环境

    SSL_CTX_free(SSL_CTX *ctx);
  

产品代码

• 服务器端：

    #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;
    }
  

• 客户端：

    #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
  

• 生成私钥和证书：

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

• 程序运行:

    ./server 7838 1 CAcert.pem privkey.pem
    ./telent 10.0.2.15 7838
  

• 运行截图

实验感想与体会

基于OpenSSL函数库的应用相比与基于OpenSSL指令的应用开发的工作量会大很多，但这并不意味着其应用会更少。事实上，基于OpenSSL的应用大部分是这种方式的，这种方式使得开发者能够根据自己的需求灵活地进行选择，而不必受OpenSSL有限的指令的限制。 通过OpenSSL，我学到了很多东西，并且发现现在所学的课程都是想通的，比如客服端服务器就与刘念老师教的JAVA WEB这门课程差不多，所以理解起来也不是很晦涩难懂。所以在以后的学习中，要学会融会贯通，这样会有更多的收获的！