2019-2020-1 20175209 20175213 20175214 实验五 通讯协议设计

实验五 通讯协议设计

实验内容：

• 1.在Ubuntu中完成http://www.cnblogs.com/rocedu/p/5087623.html中的作业。

• 2.作业

  • 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。

• 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。

• 4.运行实验箱中，ARM调用Z32算法的实验，提交实验截图。（待做）

• 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

• 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。

• 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。

• 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.zip文件。

• 在文件下载目录里输入命令解压.zip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。

• 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\n");

    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\n");

    if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
    } else
        printf("begin listen\n");

    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\n",
                   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'\n",
                 buf, errno, strerror(errno));
            goto finish;
        } else
            printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！\n",
                   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\n",
                   buf, len);
        else
            printf
                ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",
                 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:\n");  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);  
        printf("证书: %s\n", line);  
        free(line);  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);  
        printf("颁发者: %s\n", line);  
        free(line);  
       X509_free(cert);  
    } else  
        printf("无证书信息！\n");  
}  
  
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：\n\t\t%s IP地址 端口\n\t比如:\t%s 127.0.0.1 80\n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\n");  
  
    /* 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\n");  
  
    /* 连接服务器 */  
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) {  
        perror("Connect ");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("server connected\n");  
  
    /* 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\n", 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\n",  
               buffer, len);  
    else {  
        printf  
            ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'\n",  
             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'\n",  
             buffer, errno, strerror(errno));  
    else  
        printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！\n",  
               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。