证书的应用之一 —— TCP&SSL通信实例及协议分析(下)

转载自：http://www.cnblogs.com/piyeyong/archive/2010/07/07/1773086.html

前面两部分分别讲解了如何在.net程序中使用SSL实现安全通信以及SSL的通信过程，并通过抓包工具具体分析了ssl的握手过程，本文通过一个demo来模拟ssl协议，在TCP之上实现自己的安全通信。

创建证书

为了实现安全的通信，必须使用证书对传输的数据进行加密，有两种方法可以得到证书，一是安装CA服务器，使用CA来发放证书，二是通过makecert.exe工具自己创建。

创建服务器证书：

cmd>makecert.exe -r -pe -n "CN=MySslServer" -sky Exchange -ss My

创建客户端证书

cmd>makecert.exe -r -pe -n "CN=MySslClient" -sky Exchange -ss My

关于makecert.exe的更多信息可以操作这里。

建立TCP连接

使用普通的Socket类来建立TCP连接即可。后续的握手，传输数据都是在TCP之上的，在这里，定义每条信息的第一个字节是类型，0x01是整数，0x02是session key，0x03是应用层数据，0x04是错误信息，未使用。

我们知道TCP通信是stream的，消息没有边界，有可能发送方发送的数 据，在接收方两次才能接收完，或者发送方连续发送两次数据，接收方一次就全部接受，这就要求应用层自己对消息的边界进行区分，常用的有3种方法，一是固定 长度，所有消息长度一样，不够就填充，显然不够实用而且浪费带宽；二是定义消息边界，每条消息以固定字节流结尾如<EOF>，如果传输的数据 刚好含有这样的字节流，就必须进行转义；三是消息的起始处使用固定字节来描述本消息的长度。本文为方便起见，没有进行消息边界处理，每两次发送有个间隔。

 

交换证书

在TCP连接建立之后，开始进行握手过程，主要是交换证书，交换session key。

server与client各自将自己的证书发送给对方，证书被export成.cer格式，只含有public key。证书的作用一是交换session key，二是发送数据时签名。

byte[] certBytes = so.localCert.Export(X509ContentType.Cert);
 2 byte[] sentBytes = AddType(certBytes, type);
 3             so.workSocket.Send(sentBytes, 0, sentBytes.Length, SocketFlags.None);
 4             Console.WriteLine("Send>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
 5             PrintCert(so.localCert);
 6 。。。。。。
 7 byte[] data = RemoveType(so.buffer, read);
 8             so.remoteCert =new X509Certificate2(data);
 9             Console.WriteLine("Recv<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<");
10             PrintCert(so.remoteCert);

 

交换session key

本demo使用DES对称算法来加密，必须在发送应用层数据之前交换算法的key，使用双方约定固定的IV。

其中一方生成随机的key，用对方的证书加密，调用RSA的Encrypt方法，会使用Public key，将加密后的数据发送给对方，由于只有对方才有证书的private key，所以也只有对方才能解密出key，第三方即使中途截获了数据也不能破解出key。

 

            RSACryptoServiceProvider rsa = (RSACryptoServiceProvider)so.remoteCert.PublicKey.Key;
2 byte[] encrypedSessionKey = rsa.Encrypt(so.localSessionKey, false);
3 byte[] sentBytes = AddType(encrypedSessionKey, type);
4             so.workSocket.Send(sentBytes, 0, sentBytes.Length, SocketFlags.None);
5             Console.WriteLine("Send>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
6             PrintSessionKey(so.localSessionKey);

byte[] data = RemoveType(so.buffer, read);
2             RSACryptoServiceProvider rsa = (RSACryptoServiceProvider)so.localCert.PrivateKey;
3             so.remoteSessionKey = rsa.Decrypt(data, false);
4             Console.WriteLine("Recv<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<");
5             PrintSessionKey(so.remoteSessionKey);

 

 

发送加密和签名数据

发送数据使用DES算法加密，防止被第三方截获；同时对发送的数据签名，让对方确认数据没有被篡改并且确认数据是自己发送的。

数据格式:

0x03

密文长度

密文

签名长度

签名

密文使用DES算法机密得到。

对原文使用hash算法，并使用自己的证明对hash进行签名，签名是使用的private key，接收方收到数据后，用DES解密出原文，对原文计算hash，然后对收到的签名使用对方的证书的public key还原，比较与hash是否一致。

加密数据并签名
            MemoryStream memoryStream =new MemoryStream();
 2 
 3 // encrypt
 4              DESCryptoServiceProvider des =new DESCryptoServiceProvider();
 5             ICryptoTransform cTransform = des.CreateEncryptor(so.remoteSessionKey, newbyte[8]);
 6             MemoryStream ms =new MemoryStream();
 7             CryptoStream encStream =new CryptoStream(ms, cTransform, CryptoStreamMode.Write);
 8             encStream.Write(so.sentData, 0, so.sentData.Length);
 9             encStream.FlushFinalBlock();
10 
11 byte[] temp = ms.ToArray();
12             memoryStream.Write(BitConverter.GetBytes(temp.Length), 0, 4);
13             memoryStream.Write(temp, 0, temp.Length);
14 
15 // hash
16              MD5CryptoServiceProvider md5 =new MD5CryptoServiceProvider();
17 byte[] hash = md5.ComputeHash(so.sentData);
18 
19 // sign
20              RSACryptoServiceProvider rsa = (RSACryptoServiceProvider) so.localCert.PrivateKey;
21 byte[] sign = rsa.SignHash(hash, CryptoConfig.MapNameToOID("MD5"));
22 
23             memoryStream.Write(BitConverter.GetBytes(sign.Length), 0, 4);
24             memoryStream.Write(sign, 0, sign.Length);
25 
26 byte[] sentBytes = AddType(memoryStream.ToArray(), type);
27             so.workSocket.Send(sentBytes, 0, sentBytes.Length, SocketFlags.None);
28             Console.WriteLine("Send>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
29             PrintData(so.sentData);

解密数据并验证
byte[] data = RemoveType(so.buffer, read);
 2 
 3 // Decrypt
 4              DESCryptoServiceProvider des =new DESCryptoServiceProvider();
 5             ICryptoTransform cTransform = des.CreateDecryptor(so.localSessionKey, newbyte[8]);
 6 int len = BitConverter.ToInt32(data, 0);
 7 byte[] cipherText =newbyte[len];
 8             Array.Copy(data, 4, cipherText, 0, len);
 9             MemoryStream ms2 =new MemoryStream(cipherText);
10             CryptoStream decStream =new CryptoStream(ms2, cTransform, CryptoStreamMode.Read);
11 
12             Byte[] tempBuffer =new Byte[1024];
13             Byte[] outputBytes =newbyte[0];
14 int nRead = decStream.Read(tempBuffer, 0, tempBuffer.Length);
15 int nLength =0;
16 while (0!= nRead)
17             {
18               nLength = outputBytes.Length;
19               Array.Resize(ref outputBytes, nLength + nRead);
20               Array.Copy(tempBuffer, 0, outputBytes, nLength, nRead);
21               nRead = decStream.Read(tempBuffer, 0, tempBuffer.Length);
22             }
23             so.recvData = outputBytes;
24             Console.WriteLine("Recv<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<");
25             PrintData(so.recvData);
26 
27 // hash
28              MD5CryptoServiceProvider md5 =new MD5CryptoServiceProvider();
29 byte[] hash = md5.ComputeHash(so.recvData);
30 
31 // verify
32  int signlen = BitConverter.ToInt32(data, len +4);
33 byte[] sign =newbyte[signlen];
34             Array.Copy(data, 4+len+4,sign, 0, signlen);
35             RSACryptoServiceProvider rsa = (RSACryptoServiceProvider)so.remoteCert.PublicKey.Key;
36 try
37             {
38 bool verify = rsa.VerifyHash(hash, CryptoConfig.MapNameToOID("MD5"), sign);
39 if (verify)
40               {
41                 Console.WriteLine("verify correct!");
42               }
43 else
44               {
45                 Console.WriteLine("verify error!");
46               }
47             }
48 catch
49             {
50               Console.WriteLine("verify error!");
51 return PackageType.Error;
52             }

运行结果

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