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

1. OpenSSL的安装首先解压源代码：

tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz

1. 然后进入源代码目录：

cd openssl-1.1.0-pre1

1. 然后使用下列命令编译安装：

- ./config
- make
- sudo make install

1. 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：

1. 头文件：

#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>

1. SSL库初始化

SSL_library_init();

1. 载入所有 SSL 算法

OpenSSL_add_all_algorithms();

1. 载入所有 SSL 错误消息

SSL_load_error_strings();

1. 产生一个 SSL_CTX

ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
if (ctx == NULL) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);}

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);
    }

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);
    }

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);

1. 建立 SSL 连接

if (SSL_accept(ssl) == -1) {
    perror("accept");
    close(new_fd);
    break;
    }

1. 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\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));

1. 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\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;
}

• 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:\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;
}

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。

  实验体会：

  本次实验通过研究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，然后实现双方通信，感觉越来越贴近生活了，我们日常生活中的qq微信等软件应该也是以此为基础进行通信才能保证其安全性，以后生活中再看到类似的东西都会想到这次的实验。