2017-2018-1 20155202 实验五 固件程序设计
实验内容
任务一
- 两人一组
- 基于Socket实现TCP通信，一人实现服务器，一人实现客户端
- 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
- 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。
- 学有余力者，对系统进行安全性分析和改进。
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
SSL简介：
- SSL是
Secure Sockets Layer（安全套接层协议）
的缩写，可以在Internet上提供秘密性传输。Netscape公司在推出第一个Web浏览器的同时，提出了SSL协议标准。其目标是保证两个应用间通信的保密性和可靠性,可在服务器端和用户端同时实现支持。已经成为Internet上保密通讯的工业标准。 - SSL能使用户/服务器应用之间的通信不被攻击者窃听，并且始终对服务器进行认证，还可选择对用户进行认证。SSL协议要求建立在可靠的传输层协议(TCP)之上。SSL协议的优势在于它是与应用层协议独立无关的，高层的应用层协议(例如：HTTP，FTP，TELNET等)能透明地建立于SSL协议之上。SSL协议在应用层协议通信之前就已经完成加密算法、通信密钥的协商及服务器认证工作。在此之后应用层协议所传送的数据都会被加密，从而保证通信的私密性。
OpenSSL简介
- OpenSSL 是一个安全套接字层密码库，囊括主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能及SSL协议，并提供丰富的应用程序供测试或其它目的使用。
- OpenSSL被曝出现严重安全漏洞后，发现多数通过SSL协议加密的网站使用名为OpenSSL的开源软件包。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电脑发起“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。
SSL和TLS协议
- OpenSSL实现了SSL协议的SSLv2和SSLv3，支持了其中绝大部分算法协议。OpenSSL也实现了TLSv1.0，TLS是SSLv3的标准化版，虽然区别不大，但毕竟有很多细节不尽相同。
虽然已经有众多的软件实现了OpenSSL的功能，但是OpenSSL里面实现的SSL协议能够让我们对SSL协议有一个更加清楚的认识，因为至少存在两点：一是OpenSSL实现的SSL协议是开放源代码的，我们可以追究SSL协议实现的每一个细节；二是OpenSSL实现的SSL协议是纯粹的SSL协议，没有跟其它协议（如HTTP）协议结合在一起，澄清了SSL协议的本来面目。
对称加密
- OpenSSL一共提供了8种对称加密算法，其中7种是分组加密算法，仅有的一种流加密算法是RC4。这7种分组加密算法分别是AES、DES、Blowfish、CAST、IDEA、RC2、RC5，都支持电子密码本模式（ECB）、加密分组链接模式（CBC）、加密反馈模式（CFB）和输出反馈模式（OFB）四种常用的分组密码加密模式。其中，AES使用的加密反馈模式（CFB）和输出反馈模式（OFB）分组长度是128位，其它算法使用的则是64位。事实上，DES算法里面不仅仅是常用的DES算法，还支持三个密钥和两个密钥3DES算法。
非对称加密
- OpenSSL一共实现了4种非对称加密算法，包括DH算法、RSA算法、DSA算法和椭圆曲线算法（EC）。DH算法一般用于密钥交换。RSA算法既可以用于密钥交换，也可以用于数字签名，当然，如果你能够忍受其缓慢的速度，那么也可以用于数据加密。DSA算法则一般只用于数字签名。
信息摘要
OpenSSL实现了5种信息摘要算法，分别是MD2、MD5、MDC2、SHA（SHA1）和RIPEMD。SHA算法事实上包括了SHA和SHA1两种信息摘要算法。此外，OpenSSL还实现了DSS标准中规定的两种信息摘要算法DSS和DSS1。
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
Linux下OpenSSL的安装
环境
- OpenSSL最新版本下载：
http://www.openssl.org/source/ 
切记：下载第二个，不然会出错
下载
安装过程
Linux下的应用大多可以直接使用，也可以获取源代码自己进行编译、安装，使用源代码安装的过程一般是：
- config
- make
- make install
- OpenSSL的安装首先解压源代码：
tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz
- 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
- sudo make install
- 使用
make test测试一下有没有问题。
Linux下OpenSSL的使用
- OpenSSL应用程序
通过man openssl查看帮助文档。
-
-
OpenSSL密码算法库
-
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;
}
- 然后用下面命令编译：
gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread
- 执行
./to;echo $?
- 结果打印0
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
-
对称加密：
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
-
AES的用法如下:
-
openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass pass:123456 //密码123456
-
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
-
MD5 的用法如下：
openssl passwd -1 -in test.txt -salt 12345678
生成密码需要使用的标准命令为 passwd ，用法如下：
openssl passwd [-crypt] [-1] [-apr1] [-salt string] [-in file] [-stdin] [-noverify] [-quiet] [-table] {password}
常用选项有：
-1：使用md5加密算法
-salt string：加入随机数，最多8位随机数
-in file：对输入的文件内容进行加密
-stdion：对标准输入的内容进行加密
-
测试结果截图：
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
混合密码系统示意图如下所示
伪代码：
-
服务器：
接收客户端发来的会话密钥密文
利用预先生成的RSA公钥解密得到会话密钥
接收客户端发来的密文
用会话密钥解密密文得到明文
将明文存入文件
调用mywc()函数计算文件中单词数
客户端：
利用c语言中的rand()函数生成32字节的伪随机数数组构成会话密钥
用预先生成的RSA私钥加密会话密钥
将会话密钥发送给服务器
用会话密钥加密指定文件
将密文发送给服务器
调用mywc()函数计算文件中单词数
实验步骤及思路：
- 头文件：
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>
- 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();
- 产生一个 SSL_CTX
ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
if (ctx == NULL) {
ERR_print_errors_fp(stdout);
exit(1);}
- 载入用户的数字证书
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);
}
if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
ERR_print_errors_fp(stdout);
exit(1);
}
- 基于 ctx 产生一个新的 SSL，并将连接用户的 socket 加入到 SSL
ssl = SSL_new(ctx);
SSL_set_fd(ssl, new_server_socket_fd);
- 建立 SSL 连接
if (SSL_accept(ssl) == -1) {
perror("accept");
close(new_fd);
break;
}
- SSL数据传输
int 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));
- 客户端与服务器传输完数据后，关闭 SSL 连接，释放 SSL
SSL_shutdown(ssl);
SSL_free(ssl);
释放 CTX
SSL_CTX_free(ctx);
对telent和server 进行编译：
实验结果：
代码托管
产品代码：
- 服务器server1.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;
}
-
telent1.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;
}
实验中出现的问题：
问题：实验一编译时候出错：
解答：因为我并没有把libcypto.a和libssl.a导入到lib文件夹下，通过参考狄维佳同学的博客成功导入两个文件从而完成编译
- 使用命令：
- 成功导入：
问题2：gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread中 -I是什么意思？
解答：
- -l参数就是用来指定程序要链接的库，-l参数紧接着就是库名。
放在/lib和/usr/lib和/usr/local/lib里的库直接用-l参数就能链接了。
与-L命令的区别：
如果库文件没放在这三个目录里，而是放在其他目录里,链接程序ld在那3个目录里找不到libxxx.so,-L参数跟着的是库文件所在的目录名。