2017-2018-1 20155202 實驗五 固件程序設計

實驗內容

任務一

• 兩人一組
• 基於Socket實現TCP通信，一人實現服務器，一人實現客戶端
• 研究OpenSSL算法，測試對稱算法中的AES，非對稱算法中的RSA，Hash算法中的MD5
• 選用合適的算法，基於混合密碼系統實現對TCP通信進行機密性、完整性保護。

• 學有余力者，對系統進行安全性分析和改進。

  任務二

  在Ubuntu中實現對實驗二中的“wc服務器”通過混合密碼系統進行防護

• 

SSL簡介：

• SSL是Secure Sockets Layer（安全套接層協議）
  的縮寫，可以在Internet上提供秘密性傳輸。Netscape公司在推出第一個Web瀏覽器的同時，提出了SSL協議標準。其目標是保證兩個應用間通信的保密性和可靠性,可在服務器端和用戶端同時實現支持。已經成為Internet上保密通訊的工業標準。

• SSL能使用戶/服務器應用之間的通信不被攻擊者竊聽，並且始終對服務器進行認證，還可選擇對用戶進行認證。SSL協議要求建立在可靠的傳輸層協議(TCP)之上。SSL協議的優勢在於它是與應用層協議獨立無關的，高層的應用層協議(例如：HTTP，FTP，TELNET等)能透明地建立於SSL協議之上。SSL協議在應用層協議通信之前就已經完成加密算法、通信密鑰的協商及服務器認證工作。在此之後應用層協議所傳送的數據都會被加密，從而保證通信的私密性。

  OpenSSL簡介

• OpenSSL 是一個安全套接字層密碼庫，囊括主要的密碼算法、常用的密鑰和證書封裝管理功能及SSL協議，並提供豐富的應用程序供測試或其它目的使用。

• OpenSSL被曝出現嚴重安全漏洞後，發現多數通過SSL協議加密的網站使用名為OpenSSL的開源軟件包。OpenSSL漏洞不僅影響以https開頭的網站，黑客還可利用此漏洞直接對個人電腦發起“心臟出血”（Heartbleed）攻擊。據分析，Windows上有大量軟件使用了存在漏洞的OpenSSL代碼庫，可能被黑客攻擊抓取用戶電腦上的內存數據。

  SSL和TLS協議

• OpenSSL實現了SSL協議的SSLv2和SSLv3，支持了其中絕大部分算法協議。OpenSSL也實現了TLSv1.0，TLS是SSLv3的標準化版，雖然區別不大，但畢竟有很多細節不盡相同。
  雖然已經有眾多的軟件實現了OpenSSL的功能，但是OpenSSL裏面實現的SSL協議能夠讓我們對SSL協議有一個更加清楚的認識，因為至少存在兩點：一是OpenSSL實現的SSL協議是開放源代碼的，我們可以追究SSL協議實現的每一個細節；二是OpenSSL實現的SSL協議是純粹的SSL協議，沒有跟其它協議（如HTTP）協議結合在一起，澄清了SSL協議的本來面目。

  對稱加密

• OpenSSL一共提供了8種對稱加密算法，其中7種是分組加密算法，僅有的一種流加密算法是RC4。這7種分組加密算法分別是AES、DES、Blowfish、CAST、IDEA、RC2、RC5，都支持電子密碼本模式（ECB）、加密分組鏈接模式（CBC）、加密反饋模式（CFB）和輸出反饋模式（OFB）四種常用的分組密碼加密模式。其中，AES使用的加密反饋模式（CFB）和輸出反饋模式（OFB）分組長度是128位，其它算法使用的則是64位。事實上，DES算法裏面不僅僅是常用的DES算法，還支持三個密鑰和兩個密鑰3DES算法。

  非對稱加密

• OpenSSL一共實現了4種非對稱加密算法，包括DH算法、RSA算法、DSA算法和橢圓曲線算法（EC）。DH算法一般用於密鑰交換。RSA算法既可以用於密鑰交換，也可以用於數字簽名，當然，如果你能夠忍受其緩慢的速度，那麽也可以用於數據加密。DSA算法則一般只用於數字簽名。

  信息摘要

  OpenSSL實現了5種信息摘要算法，分別是MD2、MD5、MDC2、SHA（SHA1）和RIPEMD。SHA算法事實上包括了SHA和SHA1兩種信息摘要算法。此外，OpenSSL還實現了DSS標準中規定的兩種信息摘要算法DSS和DSS1。

OpenSSL整個軟件包大概可以分成三個主要的功能部分：

• 密碼算法庫
• SSL協議庫
• 應用程序

Linux下OpenSSL的安裝

環境

• OpenSSL最新版本下載：http://www.openssl.org/source/

• 

  切記：下載第二個，不然會出錯

下載

安裝過程

Linux下的應用大多可以直接使用，也可以獲取源代碼自己進行編譯、安裝，使用源代碼安裝的過程一般是：

- config
- make
- make install

1. OpenSSL的安裝首先解壓源代碼：

tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz

1. 然後進入源代碼目錄：

cd openssl-1.1.0-pre1

1. 然後使用下列命令編譯安裝：

- ./config
- make
- sudo make install

1. 使用make test測試一下有沒有問題。

Linux下OpenSSL的使用

• OpenSSL應用程序

通過man openssl查看幫助文檔。

• 

• OpenSSL密碼算法庫

• 編寫一個測試代碼test_openssl.c

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

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

• 然後用下面命令編譯：

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

• 執行

  ./to;echo $?

• 結果打印0

• 

研究OpenSSL算法，測試對稱算法中的AES，非對稱算法中的RSA，Hash算法中的MD5

• 對稱加密：

使用的標準命令為 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徑

-out filename：指定加密後的文件存放路徑

-salt：自動插入一個隨機數作為文件內容加密，默認選項

-e：可以指明一種加密算法，若不指的話將使用默認加密算法

-d：解密，解密時也可以指定算法，若不指定則使用默認算法，但一定要與加密時的算法一致

-a/-base64：使用-base64位編碼格式

• AES的用法如下:

• openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass pass:123456 //密碼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]
常用選項：

-in filename：指明私鑰文件

-out filename：指明將提取出的公鑰保存至指定文件中 

-pubout：根據私鑰提取出公鑰

• MD5 的用法如下：

openssl passwd -1 -in test.txt -salt 12345678    

生成密碼需要使用的標準命令為 passwd ，用法如下：

openssl passwd [-crypt] [-1] [-apr1] [-salt string] [-in file] [-stdin] [-noverify] [-quiet] [-table] {password}
常用選項有：

-1：使用md5加密算法

-salt string：加入隨機數，最多8位隨機數

-in file：對輸入的文件內容進行加密

-stdion：對標準輸入的內容進行加密

• 測試結果截圖：

• 

任務二：

在Ubuntu中實現對實驗二中的“wc服務器”通過混合密碼系統進行防護

混合密碼系統示意圖如下所示

偽代碼：

• 服務器：

  接收客戶端發來的會話密鑰密文
  利用預先生成的RSA公鑰解密得到會話密鑰
  接收客戶端發來的密文
  用會話密鑰解密密文得到明文
  將明文存入文件
  調用mywc()函數計算文件中單詞數

  客戶端：

利用c語言中的rand()函數生成32字節的偽隨機數數組構成會話密鑰
用預先生成的RSA私鑰加密會話密鑰
將會話密鑰發送給服務器
用會話密鑰加密指定文件
將密文發送給服務器
調用mywc()函數計算文件中單詞數

實驗步驟及思路：

1. 頭文件：

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

1. SSL庫初始化

SSL_library_init();

1. 載入所有 SSL 算法

OpenSSL_add_all_algorithms();

1. 載入所有 SSL 錯誤消息

SSL_load_error_strings();

1. 產生一個 SSL_CTX

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

1. 載入用戶的數字證書

if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
    }

1. 載入用戶私鑰

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. 基於 ctx 產生一個新的 SSL，並將連接用戶的 socket 加入到 SSL

ssl = SSL_new(ctx);
SSL_set_fd(ssl, new_server_socket_fd);

1. 建立 SSL 連接

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

1. SSL數據傳輸

int len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);
    
if (len > 0)
    printf("接收消息成功:‘%s‘，共%d個字節的數據\n", buffer, len);
else
    printf("消息接收失敗！錯誤代碼是%d，錯誤信息是‘%s‘\n",errno, strerror(errno));

1. 客戶端與服務器傳輸完數據後，關閉 SSL 連接，釋放 SSL

   SSL_shutdown(ssl);
   SSL_free(ssl);
   釋放 CTX
   SSL_CTX_free(ctx);

   對telent和server 進行編譯：

• 
  實驗結果：
• 

代碼托管

產品代碼：

• 服務器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 庫初始化 */
    SSL_library_init();
    /* 載入所有 SSL 算法 */
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    /* 載入所有 SSL 錯誤消息 */
    SSL_load_error_strings();
    /* 以 SSL V2 和 V3 標準兼容方式產生一個 SSL_CTX ，即 SSL Content Text */
    ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
    /* 也可以用 SSLv2_server_method() 或 SSLv3_server_method() 單獨表示 V2 或 V3標準 */
    if (ctx == NULL) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 載入用戶的數字證書， 此證書用來發送給客戶端。 證書裏包含有公鑰 */
    if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 載入用戶私鑰 */
    if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, argv[4], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0){
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 檢查用戶私鑰是否正確 */
    if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }

    /* 開啟一個 socket 監聽 */
    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);
        /* 等待客戶端連上來 */
        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);

        /* 基於 ctx 產生一個新的 SSL */
        ssl = SSL_new(ctx);
        /* 將連接用戶的 socket 加入到 SSL */
        SSL_set_fd(ssl, new_fd);
        /* 建立 SSL 連接 */
        if (SSL_accept(ssl) == -1) {
            perror("accept");
            close(new_fd);
            break;
        }

        /* 開始處理每個新連接上的數據收發 */
        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        strcpy(buf, "server->client");
        /* 發消息給客戶端 */
        len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));

        if (len <= 0) {
            printf
                ("消息‘%s‘發送失敗！錯誤代碼是%d，錯誤信息是‘%s‘\n",
                 buf, errno, strerror(errno));
            goto finish;
        } else
            printf("消息‘%s‘發送成功，共發送了%d個字節！\n",
                   buf, len);

        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        /* 接收客戶端的消息 */
        len = SSL_read(ssl, buf, MAXBUF);
        if (len > 0)
            printf("接收消息成功:‘%s‘，共%d個字節的數據\n",
                   buf, len);
        else
            printf
                ("消息接收失敗！錯誤代碼是%d，錯誤信息是‘%s‘\n",
                 errno, strerror(errno));
        /* 處理每個新連接上的數據收發結束 */
      finish:
        /* 關閉 SSL 連接 */
        SSL_shutdown(ssl);
        /* 釋放 SSL */
        SSL_free(ssl);
        /* 關閉 socket */
        close(new_fd);
    }
    /* 關閉監聽的 socket */
    close(sockfd);
    /* 釋放 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("數字證書信息:\n");  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);  
        printf("證書: %s\n", line);  
        free(line);  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);  
        printf("頒發者: %s\n", line);  
        free(line);  
       X509_free(cert);  
    } else  
        printf("無證書信息！\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("參數格式錯誤！正確用法如下：\n\t\t%s IP地址 端口\n\t比如:\t%s 127.0.0.1 80\n此程序用來從某個"  
             "IP 地址的服務器某個端口接收最多 MAXBUF 個字節的消息",  
             argv[0], argv[0]);  
        exit(0);  
    }  
  
    /* SSL 庫初始化，參看 ssl-server.c 代碼 */  
    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);  
    }  
  
    /* 創建一個 socket 用於 tcp 通信 */  
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {  
        perror("Socket");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("socket created\n");  
  
    /* 初始化服務器端（對方）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");  
  
    /* 連接服務器 */  
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) {  
        perror("Connect ");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("server connected\n");  
  
    /* 基於 ctx 產生一個新的 SSL */  
    ssl = SSL_new(ctx);  
    SSL_set_fd(ssl, sockfd);  
    /* 建立 SSL 連接 */  
    if (SSL_connect(ssl) == -1)  
        ERR_print_errors_fp(stderr);  
    else {  
        printf("Connected with %s encryption\n", SSL_get_cipher(ssl));  
        ShowCerts(ssl);  
    }  
  
    /* 接收對方發過來的消息，最多接收 MAXBUF 個字節 */  
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);  
    /* 接收服務器來的消息 */  
    len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);  
    if (len > 0)  
        printf("接收消息成功:‘%s‘，共%d個字節的數據\n",  
               buffer, len);  
    else {  
        printf  
            ("消息接收失敗！錯誤代碼是%d，錯誤信息是‘%s‘\n",  
             errno, strerror(errno));  
        goto finish;  
    }  
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);  
    strcpy(buffer, "from client->server");  
    /* 發消息給服務器 */  
    len = SSL_write(ssl, buffer, strlen(buffer));  
    if (len < 0)  
        printf  
            ("消息‘%s‘發送失敗！錯誤代碼是%d，錯誤信息是‘%s‘\n",  
             buffer, errno, strerror(errno));  
    else  
        printf("消息‘%s‘發送成功，共發送了%d個字節！\n",  
               buffer, len);  
  
  finish:  
    /* 關閉連接 */  
    SSL_shutdown(ssl);  
    SSL_free(ssl);  
    close(sockfd);  
    SSL_CTX_free(ctx);  
    return 0;  
}

實驗中出現的問題：

問題：實驗一編譯時候出錯：

解答：因為我並沒有把libcypto.a和libssl.a導入到lib文件夾下，通過參考狄維佳同學的博客成功導入兩個文件從而完成編譯

• 
• 使用命令：
• 
• 成功導入：
• 

問題2：gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread中 -I是什麽意思？

解答：

• -l參數就是用來指定程序要鏈接的庫，-l參數緊接著就是庫名。
  放在/lib和/usr/lib和/usr/local/lib裏的庫直接用-l參數就能鏈接了。

  與-L命令的區別：

  如果庫文件沒放在這三個目錄裏，而是放在其他目錄裏,鏈接程序ld在那3個目錄裏找不到libxxx.so,-L參數跟著的是庫文件所在的目錄名。

  實驗體會：

  本次實驗通過研究OpenSSL算法，測試對稱算法中的AES，非對稱算法中的RSA，Hash算法中的MD5，然後實現雙方通信，感覺越來越貼近生活了，我們日常生活中的qq微信等軟件應該也是以此為基礎進行通信才能保證其安全性，以後生活中再看到類似的東西都會想到這次的實驗。

2017-2018-1 20155202 實驗五 固件程序設計