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2018-2019-1 20165230 实验五通讯协议设计

实验内容

任务一

Linux下OpenSSL的安装

任务二

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

实验知识点

混合密码系统介绍

OpenSSL流程

初始化

在使用OpenSSL之前，必须进行相应的协议初始化工作，可以通过下面的函数实现：


int SSL_library_int(void);

选择会话协议

在利用OpenSSL开始SSL会话之前，需要为客户端和服务器制定本次会话采用的协议，目前能够使用的协议包括TLSv1.0、SSLv2、SSLv3、SSLv2/v3。
需要注意的是，客户端和服务器必须使用相互兼容的协议，否则SSL会话将无法正常进行。
申请SSL会话环境的OpenSSL函数是：

SSL_CTX *SSL_CTX_new(SSL_METHOD * method);

创建会话环境

申请SSL会话环境的OpenSSL函数是：

SSL_CTX *SSL_CTX_new(SSL_METHOD * method);

当SSL会话环境申请成功后，还要根据实际的需要设置CTX的属性，通常的设置是指定SSL握手阶段证书的验证方式和加载自己的证书。
制定证书验证方式的函数是：

int SSL_CTX_set_verify(SSL_CTX *ctx,int mode,int(*verify_callback),int(X509_STORE_CTX *));

为SSL会话环境加载CA证书的函数是：

SSL_CTX_load_verify_location(SSL_CTX *ctx,const char *Cafile,const char *Capath);

为SSL会话加载用户证书的函数是：

SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file,int type);

为SSL会话加载用户私钥的函数是：

SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx,const char* file,int type);

在将证书和私钥加载到SSL会话环境之后，就可以调用下面的函数来验证私钥和证书是否相符：

int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx);

建立SSL套接字

SSL *SSl_new(SSL_CTX *ctx);//申请一个SSL套接字

int SSL_set_fd(SSL *ssl,int fd);)//绑定读写套接字

int SSL_set_rfd(SSL *ssl,int fd);//绑定只读套接字

int SSL_set_wfd(SSL *ssl,int fd);//绑定只写套接字

完成SSL握手

在成功创建SSL套接字后，客户端应使用函数SSL_connect( )替代传统的函数connect( )来完成握手过程:

int SSL_connect(SSL *ssl);

而对服务器来讲，则应使用函数SSL_ accept ( )替代传统的函数accept ( )来完成握手过程:

int SSL_accept(SSL *ssl);

从SSL套接字中提取对方的证书信息

握手过程完成之后，通常需要询问通信双方的证书信息，以便进行相应的验证，这可以借助于下面的函数来实现:

X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *ssl);

该函数可以从SSL套接字中提取对方的证书信息，这些信息已经被SSL验证过了。

X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a);

数据传输

当SSL握手完成之后，就可以进行安全的数据传输了，在数据传输阶段，需要使用SSL_read( )和SSL_write( )来替代传统的read( )和write( )函数，来完成对套接字的读写操作：

int SSL_read(SSL *ssl,void *buf,int num);
int SSL_write(SSL *ssl,const void *buf,int num);

结束SSL通信

int SSL_shutdown(SSL *ssl);//关闭SSL套接字
void SSl_free(SSL *ssl);//释放SSL套接字
void SSL_CTX_free(SSL_CTX *ctx); //释放SSL会话环境

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
应用程序

socket的基本操作

socket()函数
bind()函数
listen()、connect()函数
accept()函数
read()、write()函数等
close()函数

实验步骤

任务一

1.首先从官网下载最新版OpenSSL，输入unzip openssl-master.zip解压。解压后，依次输入以下命令进行安装：

./config
make
make test
make install

2.安装成功以后进行安装测试。
测试代码test_openssl.c如下：

#include<stdio.h>
#include<openssl/evp.h>
int main()
{
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    return 0;
}

3.在/usr/local/ssl中新建文件夹名为lib，输入gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread编译测试代码。输入./test_openssl运行可执行文件，然后用
echo $?查看，打印0，则openssl安装成功。

任务二

服务器server.c中使用openssl的步骤为：

SSL库初始化：SSL_library_init();
载入所有SSL算法和SSL错误消息；
入用户的数字证书，此证书用来发送给客户端；
载入用户私钥并检查用户私钥是否正确；
开启一个socket监听；
基于ctx产生一个新的ssl，将连接用户的socket加入到ssl，建立ssl连接；
处理每个连接上的数据收发；
关闭并释放ssl，关闭socket,释放CTX。

服务器端代码如下：

#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>

#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_library_init();
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    SSL_load_error_strings();
    ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
    if (ctx == NULL) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, argv[4], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0){
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    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);
        ssl = SSL_new(ctx);
        SSL_set_fd(ssl, new_fd);
        if (SSL_accept(ssl) == -1) {
            perror("accept");
            close(new_fd);
            break;
        }
        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);
        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;
}

客户端代码如下：

#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>

#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_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);
    }

    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("Socket");
        exit(errno);
    }
    printf("socket created
");

    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
");

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) {
        perror("Connect ");
        exit(errno);
    }
    printf("server connected
");

    ssl = SSL_new(ctx);
    SSL_set_fd(ssl, sockfd);
    if (SSL_connect(ssl) == -1)
        ERR_print_errors_fp(stderr);
    else {
        printf("Connected with %s encryption
", SSL_get_cipher(ssl));
        ShowCerts(ssl);
    }

    
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);
    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");
    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:
    SSL_shutdown(ssl);
    SSL_free(ssl);
    close(sockfd);
    SSL_CTX_free(ctx);
    return 0;
}

输入以下命令对server.c和client.c进行编译：

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 -

输入以下命令，生成私钥和证书：

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

输入以下命令，运行程序：

./server 5230 1 CAcert.pem privkey.pem
./client 127.0.0.1 5230

实验截图

实验中的问题及解决过程

问题一：在安装openssl时，按照娄老师提供的教程，编译安装失败

./configure

make

sudo make install

解决：不能输./configure，而是要输./config

问题二：在编译运行测试代码时，按照命令输，出现如下问题

gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread

解决：应该将-I改为-L，因为-L后指定的是链接库的路径，由于要导入OpenSSL所以使用-lcrypto参数

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OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分：

socket的基本操作

实验步骤

任务一

任务二

实验截图

实验中的问题及解决过程

问题一：在安装openssl时，按照娄老师提供的教程，编译安装失败

问题二：在编译运行测试代码时，按照命令输，出现如下问题

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