2019-2020-1 20175304 20175303 20175327 20175335 实验五通讯协议设计

一、实验内容

通讯协议设计-1

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

2.提交运行结果截图

通讯协议设计-2

1.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

2.提交测试截图

通讯协议设计-3

1 运行实验箱中，ARM调用Z32算法的实验，提交实验截图

2 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

二、实验过程

通讯协议设计-1

1.OpenSSL简介

OpenSSL是一个SSL协议的开源实现，采用C语言作为开发语言，具备了跨平台的能力，支持Unix/Linux、Windows、Mac OS等多种平台。

2.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
OpenSSL源码的目录结构也是围绕这三个功能部分进行规划的。

密码算法库是一个强大完整的密码算法库，它是OpenSSL的基础部分，也是很值得一般密码安全技术人员研究的部分，它实现了目前大部分主流的密码算法和标准。主要包括对称算法、非对称算法、散列算法、数字签名和认证、X509数字证书标准、PKCS12、PKCS7等标准。其他两个功能部分SSL协议和应用程序都是基于这个库开发的。

在密码算法库的基础上实现的，SSL协议部分完全实现和封装了SSL协议的三个版本和TLS协议。使用协议库，你完全可以建立一个SSL服务器和SSL客户端。

应用程序是基于密码算法库和SSL协议库实现的命令，熟悉OpenSSL可以从使用这些应用程序开始。应用程序覆盖了密码技术的应用，主要包括了各种算法的加密程序和各种类型密钥的产生程序(如RSA、Md5、Enc等等)、证书签发和验证程序（如Ca、X509、Crl等）、SSL连接测试程序（如S_client和S_server等）以及其它的标准应用程序（如Pkcs12和Smime等）。

1.在Mac下OpenSSL的安装和使用

一般Mac下都默认有openssl了，不用下载安装，可以直接使用openssl
通过man openssl查看帮助文档。
编写测试代码test_openssl.c

#include <stdio.h>
#include <openssl/evp.h>

int main(){
    
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    
    return 0;
}

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

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。

1.基于 Socket 实现 TCP 通信，一人实现服务器，一人实现客户端

编写服务器端代码
server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define BUFLEN 10

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd, newfd;
    struct sockaddr_in s_addr, c_addr;
    char buf[BUFLEN];
    socklen_t len;
    unsigned int port, listnum;
    
    /*建立socket*/
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
        perror("socket");
        exit(errno);
    }else
        printf("socket create success!\n");
    /*设置服务器端口*/    
    if(argv[2])
        port = atoi(argv[2]);
    else
        port = 4567;
    /*设置侦听队列长度*/
    if(argv[3])
        listnum = atoi(argv[3]);
    else
        listnum = 3;
    /*设置服务器ip*/
    bzero(&s_addr, sizeof(s_addr));
    s_addr.sin_family = AF_INET;
    s_addr.sin_port = htons(port);
    if(argv[1])
        s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    else
        s_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    /*把地址和端口帮定到套接字上*/
    if((bind(sockfd, (struct sockaddr*) &s_addr,sizeof(struct sockaddr))) == -1){
        perror("bind");
        exit(errno);
    }else
        printf("bind success!\n");
    /*侦听本地端口*/
    if(listen(sockfd,listnum) == -1){
        perror("listen");
        exit(errno);    
    }else
        printf("the server is listening!\n");
    while(1){
        printf("*****************聊天开始***************\n");
        len = sizeof(struct sockaddr);
        if((newfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*) &c_addr, &len)) == -1){
            perror("accept");        
            exit(errno);
        }else
            printf("正在与您聊天的客户端是：%s: %d\n",inet_ntoa(c_addr.sin_addr),ntohs(c_addr.sin_port));
        while(1){
        _retry:
            /******发送消息*******/
            bzero(buf,BUFLEN);
            printf("请输入发送给对方的消息：");
            /*fgets函数：从流中读取BUFLEN-1个字符*/
            fgets(buf,BUFLEN,stdin);
            /*打印发送的消息*/
            //fputs(buf,stdout);
            if(!strncasecmp(buf,"quit",4)){
                printf("server 请求终止聊天!\n");
                break;
            }
            /*如果输入的字符串只有"\n"，即回车，那么请重新输入*/
            if(!strncmp(buf,"\n",1)){
                printf("输入的字符只有回车，这个是不正确的！！！\n");
                goto _retry;
            }    
            /*如果buf中含有'\n'，那么要用strlen(buf)-1，去掉'\n'*/            
            if(strchr(buf,'\n'))
                len = send(newfd,buf,strlen(buf)-1,0);
            /*如果buf中没有'\n'，则用buf的真正长度strlen(buf)*/    
            else
                len = send(newfd,buf,strlen(buf),0);
            if(len > 0)
                printf("消息发送成功，本次共发送的字节数是：%d\n",len);            
            else{
                printf("消息发送失败!\n");
                break;            
            }
            /******接收消息*******/
            bzero(buf,BUFLEN);
            len = recv(newfd,buf,BUFLEN,0);
            if(len > 0)
                printf("客户端发来的信息是：%s,共有字节数是: %d\n",buf,len);
            else{
                if(len < 0 )
                    printf("接受消息失败！\n");
                else
                    printf("客户端退出了，聊天终止！\n");
                break;        
            }
        }
        /*关闭聊天的套接字*/
        close(newfd);
        /*是否退出服务器*/
        printf("服务器是否退出程序：y->是；n->否? ");
        bzero(buf, BUFLEN);
        fgets(buf,BUFLEN, stdin);
        if(!strncasecmp(buf,"y",1)){
            printf("server 退出!\n");
            break;
        }
    }
    /*关闭服务器的套接字*/
    close(sockfd);
    return 0;
}

客户端代码
client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define BUFLEN 10

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in s_addr;
    socklen_t len;
    unsigned int port;
    char buf[BUFLEN];    
    
    /*建立socket*/
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
        perror("socket");
        exit(errno);
    }else
        printf("socket create success!\n");

    /*设置服务器端口*/    
    if(argv[2])
        port = atoi(argv[2]);
    else
        port = 4567;
    /*设置服务器ip*/
    bzero(&s_addr, sizeof(s_addr));
    s_addr.sin_family = AF_INET;
    s_addr.sin_port = htons(port);
    if (inet_aton(argv[1], (struct in_addr *)&s_addr.sin_addr.s_addr) == 0) {
        perror(argv[1]);
        exit(errno);
    }
    /*开始连接服务器*/    
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&s_addr,sizeof(struct sockaddr)) == -1){
        perror("connect");
        exit(errno);
    }else
        printf("conncet success!\n");
    
    while(1){
        /******接收消息*******/
        bzero(buf,BUFLEN);
        len = recv(sockfd,buf,BUFLEN,0);
        if(len > 0)
            printf("服务器发来的消息是：%s,共有字节数是: %d\n",buf,len);
        else{
            if(len < 0 )
                printf("接受消息失败！\n");
            else
                printf("服务器退出了，聊天终止！\n");
            break;    
        }
    _retry:    
        /******发送消息*******/    
        bzero(buf,BUFLEN);
        printf("请输入发送给对方的消息：");
        /*fgets函数：从流中读取BUFLEN-1个字符*/
        fgets(buf,BUFLEN,stdin);
        /*打印发送的消息*/
        //fputs(buf,stdout);
        if(!strncasecmp(buf,"quit",4)){
            printf("client 请求终止聊天!\n");
            break;
        }
        /*如果输入的字符串只有"\n"，即回车，那么请重新输入*/
        if(!strncmp(buf,"\n",1)){
            printf("输入的字符只有回车，这个是不正确的！！！\n");
            goto _retry;
        }
        /*如果buf中含有'\n'，那么要用strlen(buf)-1，去掉'\n'*/    
        if(strchr(buf,'\n'))
            len = send(sockfd,buf,strlen(buf)-1,0);
        /*如果buf中没有'\n'，则用buf的真正长度strlen(buf)*/    
        else
            len = send(sockfd,buf,strlen(buf),0);
        if(len > 0)
            printf("消息发送成功，本次共发送的字节数是：%d\n",len);            
        else{
            printf("消息发送失败!\n");
            break;            
        }
    }
    /*关闭连接*/
    close(sockfd);

    return 0;
}

实验截图

2.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

代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <openssl/aes.h>

int main(int argc, char** argv) {
    AES_KEY aes;
    unsigned char key[AES_BLOCK_SIZE];        // AES_BLOCK_SIZE = 16
    unsigned char iv[AES_BLOCK_SIZE];        // init vector
    unsigned char* input_string;
    unsigned char* encrypt_string;
    unsigned char* decrypt_string;
    unsigned int len;        // encrypt length (in multiple of AES_BLOCK_SIZE)
    unsigned int i;

    // check usage
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "%s <plain text>\n", argv[0]);
        exit(-1);
    }

    // set the encryption length
    len = 0;
    if ((strlen(argv[1]) + 1) % AES_BLOCK_SIZE == 0) {
        len = strlen(argv[1]) + 1;
    } else {
        len = ((strlen(argv[1]) + 1) / AES_BLOCK_SIZE + 1) * AES_BLOCK_SIZE;
    }

    // set the input string
    input_string = (unsigned char*)calloc(len, sizeof(unsigned char));
    if (input_string == NULL) {
        fprintf(stderr, "Unable to allocate memory for input_string\n");
        exit(-1);
    }
    strncpy((char*)input_string, argv[1], strlen(argv[1]));

    // Generate AES 128-bit key
    for (i=0; i<16; ++i) {
        key[i] = 32 + i;
    }

    // Set encryption key
    for (i=0; i<AES_BLOCK_SIZE; ++i) {
        iv[i] = 0;
    }
    if (AES_set_encrypt_key(key, 128, &aes) < 0) {
        fprintf(stderr, "Unable to set encryption key in AES\n");
        exit(-1);
    }

    // alloc encrypt_string
    encrypt_string = (unsigned char*)calloc(len, sizeof(unsigned char));    
    if (encrypt_string == NULL) {
        fprintf(stderr, "Unable to allocate memory for encrypt_string\n");
        exit(-1);
    }

    // encrypt (iv will change)
    AES_cbc_encrypt(input_string, encrypt_string, len, &aes, iv, AES_ENCRYPT);

    // alloc decrypt_string
    decrypt_string = (unsigned char*)calloc(len, sizeof(unsigned char));
    if (decrypt_string == NULL) {
        fprintf(stderr, "Unable to allocate memory for decrypt_string\n");
        exit(-1);
    }

    // Set decryption key
    for (i=0; i<AES_BLOCK_SIZE; ++i) {
        iv[i] = 0;
    }
    if (AES_set_decrypt_key(key, 128, &aes) < 0) {
        fprintf(stderr, "Unable to set decryption key in AES\n");
        exit(-1);
    }

    // decrypt
    AES_cbc_encrypt(encrypt_string, decrypt_string, len, &aes, iv, 
            AES_DECRYPT);

    // print
    printf("input_string = %s\n", input_string);
    printf("encrypted string = ");
    for (i=0; i<len; ++i) {
        printf("%x%x", (encrypt_string[i] >> 4) & 0xf, 
                encrypt_string[i] & 0xf);    
    }
    printf("\n");
    printf("decrypted string = %s\n", decrypt_string);

    return 0;
}

运行使用 gcc AES.c -o AES -lssl -lcrypto 进行编译
运行截图

RSA

代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<openssl/rsa.h>
#include<openssl/pem.h>
#include<openssl/err.h>
#define OPENSSLKEY "test.key"
#define PUBLICKEY "test_pub.key"
#define BUFFSIZE 1024
char* my_encrypt(char *str,char *path_key);//加密
char* my_decrypt(char *str,char *path_key);//解密
int main(void){
    char *source="hello,i am 175327fkn";
    char *ptr_en,*ptr_de;
    printf("source is    :%s\n",source);
    ptr_en=my_encrypt(source,PUBLICKEY);
    printf("after encrypt:%s\n",ptr_en);
    ptr_de=my_decrypt(ptr_en,OPENSSLKEY);
    printf("after decrypt:%s\n",ptr_de);
    if(ptr_en!=NULL){
        free(ptr_en);
    }   
    if(ptr_de!=NULL){
        free(ptr_de);
    }   
    return 0;
}
char *my_encrypt(char *str,char *path_key){
    char *p_en;
    RSA *p_rsa;
    FILE *file;
    int flen,rsa_len;
    if((file=fopen(path_key,"r"))==NULL){
        perror("open key file error");
        return NULL;    
    }   
    if((p_rsa=PEM_read_RSA_PUBKEY(file,NULL,NULL,NULL))==NULL){
    //if((p_rsa=PEM_read_RSAPublicKey(file,NULL,NULL,NULL))==NULL){   换成这句死活通不过，无论是否将公钥分离源文件
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        return NULL;
    }   
    flen=strlen(str);
    rsa_len=RSA_size(p_rsa);
    p_en=(unsigned char *)malloc(rsa_len+1);
    memset(p_en,0,rsa_len+1);
    if(RSA_public_encrypt(rsa_len,(unsigned char *)str,(unsigned char*)p_en,p_rsa,RSA_NO_PADDING)<0){
        return NULL;
    }
    RSA_free(p_rsa);
    fclose(file);
    return p_en;
}
char *my_decrypt(char *str,char *path_key){
    char *p_de;
    RSA *p_rsa;
    FILE *file;
    int rsa_len;
    if((file=fopen(path_key,"r"))==NULL){
        perror("open key file error");
        return NULL;
    }
    if((p_rsa=PEM_read_RSAPrivateKey(file,NULL,NULL,NULL))==NULL){
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        return NULL;
    }
    rsa_len=RSA_size(p_rsa);
    p_de=(unsigned char *)malloc(rsa_len+1);
    memset(p_de,0,rsa_len+1);
    if(RSA_private_decrypt(rsa_len,(unsigned char *)str,(unsigned char*)p_de,p_rsa,RSA_NO_PADDING)<0){
        return NULL;
    }
    RSA_free(p_rsa);
    fclose(file);
    return p_de;
}

使用openssl工具
生成一个密钥：openssl genrsa -out test.key 1024 （-out接生成的文件名）
提取出公钥：openssl rsa -in test.key -pubout -out test_pub.key （-in接输入文件，-out接生成公钥的文件名）
在目录中创建一个hello的文本文件
(利用生成的公钥加密文件：openssl rsautl -encrypt -in hello -inkey test_pub.key -pubin -out hello.en （-in接要加密的文件，-inkey接密钥，-pubin表明是用纯公钥文件加密，-out接加密后的文件）
解密文件：openssl rsautl -decrypt -in hello.en -inkey test.key -out hello.de （-in接被加密的文件，-inkey接私钥文件，-out接解密后的文件）
实验截图

MD5

代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <openssl/md5.h>

int main(int argc, char** argv) {
   MD5_CTX hash_ctx;
   char input_string[128];
   unsigned char hash_ret[16];
   int i;

   // check usage
   if (argc != 2) {
       fprintf(stderr, "%s <input string>\n", argv[0]);
       exit(-1);
   }

   // set the input string
   snprintf(input_string, sizeof(input_string), "%s\n", argv[1]);

   // initialize a hash context 
   MD5_Init(&hash_ctx);

   // update the input string to the hash context (you can update
   // more string to the hash context)
   MD5_Update(&hash_ctx, input_string, strlen(input_string));

   // compute the hash result
   MD5_Final(hash_ret, &hash_ctx);

   // print
   printf("Input string: %s", input_string);
   printf("Output string: ");
   for (i=0; i<32; ++i) {
       if (i % 2 == 0) {
           printf("%x", (hash_ret[i/2] >> 4) & 0xf);
       } else {
           printf("%x", (hash_ret[i/2]) & 0xf);
       }
   }
   printf("\n");

   return 0;
}

运行截图