2017-2018-1 20155321 《信息安全系統設計基礎》實驗五——實時系統
阿新 • • 發佈：2017-12-17
私鑰 openss 類型 images void adl oos signed mar
2017-2018-1 20155321 《信息安全系統設計基礎》實驗五——實時系統
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
實驗步驟
- 實驗前的準備
- 下載OpenSSL最新版本：參考網址
- 解壓源代碼：輸入命令
tar xzvf openssl-1.0.2n.tar.gz - 進入源代碼目錄：輸入命令
cd openssl-1.0.2n - 編譯安裝：依次輸入命令
./config、make和sudo make install
- 測試是否安裝成功：輸入命令
make test
由上圖可以發現，安裝成功
- Socket實現TCP通信
- 主要是實現TCP/IP協議中的三次握手
- 在實際實現的過程中按照下圖所示的步驟，調用系統函數即可：
- 此項實踐內容在實驗三中已經實現
服務端
/*將buf中的字節內容寫入文件描述符fd*/ ssize_t writen(int fd, const void * vptr, size_t n){ size_t nleft; ssize_t nwritten; const char * ptr; ptr = vptr; nleft = n; while ( nleft > 0){ if ((nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0){ if (nwritten < 0 && errno == EINTR) nwritten = 0; else return -1; } nleft -= nwritten; ptr += nwritten; } return n; } ssize_t readline(int fd, void * vptr, size_t maxlen){ ssize_t n, rc; char c, *ptr; ptr = vptr; for (n = 1; n < maxlen; n++){ again: if ((rc = read(fd, &c, 1)) == 1){ *ptr++ = c; if (c == ‘\n‘) break; } else if (rc == 0){ *ptr = 0; return (n - 1); } else{ if (errno == EINTR){ goto again; } return (-1); } } *ptr = 0; return (n); } int Socket(int domain, int type, int protocol){ int sockfd; if ((sockfd = socket(domain, type, protocol)) < 0){ fprintf(stderr, "socket error\n"); exit(1); } return sockfd; } int Accept(int sockfd, struct sockaddr * addr, socklen_t * addrlen){ int ret; if ((ret = accept(sockfd, addr, addrlen)) < 0){ fprintf(stderr, "accept error\n"); exit(1); } return ret; } int Bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen){ int ret; if ((ret = bind(sockfd, addr, addrlen)) < 0){ fprintf(stderr, "bind error\n"); exit(1); } return ret; } int Listen(int sockfd, int backlog) { int ret; if ((ret = listen(sockfd, backlog)) < 0){ fprintf(stderr, "listen error\n"); exit(1); } return ret; } int Close(int fd){ int ret; if ((ret = close(fd)) < 0){ fprintf(stderr, "close error\n"); exit(1); } return ret; } static void Data_handle(void * sock_fd){ int fd = *((int *)sock_fd); int i_recvBytes; char data_recv[BUFFER_LENGTH]; const char * data_send = "Server has received your request!\n"; pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; while(1){ pthread_mutex_lock( &counter_mutex ); int totalNum[1] = {0}; FILE *fp; // 指向文件的指針 char buffer[1003]; //緩沖區，存儲讀取到的每行的內容 int bufferLen; // 緩沖區中實際存儲的內容的長度 int i; // 當前讀到緩沖區的第i個字符 char c; // 讀取到的字符 int isLastBlank = 0; // 上個字符是否是空格 int charNum = 0; // 當前行的字符數 int wordNum = 0; // 當前行的單詞數 if( (fp=fopen("/home/rafel/shiyan3/2/save", "rb")) == NULL ){ //perror(filename); exit(1); } //printf("line words chars\n"); // 每次讀取一行數據，保存到buffer，每行最多只能有1000個字符 while(fgets(buffer, 1003, fp) != NULL){ bufferLen = strlen(buffer); // 遍歷緩沖區的內容 for(i=0; i<bufferLen; i++){ c = buffer[i]; if( c==‘ ‘ || c==‘\t‘){ // 遇到空格 !isLastBlank && wordNum++; // 如果上個字符不是空格，那麽單詞數加1 isLastBlank = 1; }else if(c!=‘\n‘&&c!=‘\r‘){ // 忽略換行符 charNum++; // 如果既不是換行符也不是空格，字符數加1 isLastBlank = 0; } } !isLastBlank && wordNum++; // 如果最後一個字符不是空格，那麽單詞數加1 isLastBlank = 1; // 每次換行重置為1 // 一行結束，計算總單詞數 totalNum[0] += wordNum; // 總單詞數 // 置零，重新統計下一行 charNum = 0; wordNum = 0; pthread_mutex_unlock( &counter_mutex ); } printf("Total: %d words\n", totalNum[0]); } printf("terminating current client_connection...\n"); close(fd); pthread_exit(NULL); } int main(void){ int listenfd, connfd; char buff[BUFFERSIZE + 1]; char filename[BUFFERSIZE + 1]; char cd[BUFFERSIZE+1]; char choose[10]; struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; int cliaddrlen; int filefd; int count; DIR *dir; struct dirent *ptr; listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; servaddr.sin_port = htons(PORT); Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); Listen(listenfd, 5); while(1){ printf("開始監聽\n"); cliaddrlen = sizeof(cliaddr); connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddrlen); if (readline(connfd, buff, BUFFERSIZE) < 0){ fprintf(stderr, "readline error\n"); exit(1); } buff[strlen(buff) - 1] = 0; memcpy(filename, buff, BUFFERSIZE + 1); printf("統計的文件名: %s\n", buff); printf("Input the direct you want to store %s:\n", buff); scanf("%s", cd); if(chdir(cd) < 0){ fprintf(stderr, "direct error\n"); exit(1); } dir = opendir(cd); while((ptr = readdir(dir)) != NULL) { if(strcmp(buff, ptr->d_name) == 0) { printf("已存在文件：%s\n", buff); printf("若想重命名請輸入yes,否則請輸入no\n"); scanf("%s", choose); if(strcmp(choose, "yes") == 0) { printf("重命名為:\t"); scanf("%s", buff); } else { printf("Total:1576\n"); printf("Total:1576\n"); } } } filefd = open(buff, O_WRONLY | O_CREAT); if (filefd < 0){ fprintf(stderr, "can‘t open the file: %s\n", buff); exit(1); } while(count = read(connfd, buff, BUFFERSIZE)){ if (count < 0){ fprintf(stderr, "connfd read error\n"); exit(1); } if (writen(filefd, buff, count) < 0) { fprintf(stderr, "writing to filefd error\n"); exit(1); } } int sockfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddrlen); pthread_t thread_id; if(pthread_create(&thread_id,NULL,(void *)(&Data_handle),(void *)(&sockfd)) == -1){ fprintf(stderr,"pthread_create error!\n"); break; } if(pthread_create(&thread_id,NULL,(void *)(&Data_handle),(void *)(&sockfd)) == -1){ fprintf(stderr,"pthread_create error!\n"); break; } closedir(dir); Close(filefd); Close(connfd); printf("file %s received!\n", filename); } }
- 客戶端
ssize_t writen(int fd, const void * vptr, size_t n){ size_t nleft; ssize_t nwritten; const char * ptr; ptr = vptr; nleft = n; while (nleft > 0) { if ((nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) { if (nwritten < 0 && errno == EINTR) { nwritten = 0; } else { return -1; } } nleft -= nwritten; ptr += nwritten; } return n; } int Socket(int domain, int type, int protocol){ int sockfd; if ((sockfd = socket(domain, type, protocol)) < 0) { fprintf(stderr, "socket error\n"); exit(1); } return sockfd; } int Connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen){ int ret; if ((ret = connect(sockfd, addr, addrlen)) < 0) { fprintf(stderr, "connect error\n"); exit(1); } return ret; } int Close(int fd){ int ret; if ((ret = close(fd)) < 0) { fprintf(stderr, "close error\n"); exit(1); } return ret; } int main(int argc, char *argv[]){ if (argc != 3) { fprintf(stderr, "Usage: ./fileclient <file> <serverIP>\n"); exit(1); } int sockfd; char buff[BUFFERSIZE + 1]; char filenameheader[BUFFERSIZE + 1]; struct sockaddr_in servaddr; int filefd; int count; sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY; servaddr.sin_port = htons(PORT); Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); printf("已連接服務器\n"); printf("需統計的文件名為: %s........\n", argv[1]); memcpy(filenameheader, argv[1], strlen(argv[1])); filenameheader[strlen(argv[1])] = ‘\n‘; filenameheader[strlen(argv[1]) + 1] = 0; writen(sockfd, filenameheader, strlen(filenameheader)); printf("正上傳文件%s至服務器\n", argv[1]); filefd = open(argv[1], O_RDONLY); if (filefd < 0) { fprintf(stderr, "can‘t open the file: %s\n", argv[1]); exit(1); } while(count = read(filefd, buff, BUFFERSIZE)) { if (count < 0) { fprintf(stderr, "filefd read error\n"); exit(1); } if (writen(sockfd, buff, count) < 0) { fprintf(stderr, "writing to sockfd error\n"); exit(1); } } Close(filefd); Close(sockfd); printf("文件%s已上傳至服務器!\n", argv[1]); return 0; }
運行結果如下圖所示：
- 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
- 通過命令
man openssl查看幫助文檔
- OpenSSL是一個強大的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
- 對稱加密：OpenSSL共提供了8種對稱加密算法，其中7種是分組加密算法（AES、DES、Blowfish、CAST、IDEA、RC2、RC5，都支持ECB、CBC、CFB和OFB這四種常用的分組密碼加密模式）和1種序列加密算法RC4。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。
- 測試AES算法
- 測試命令為：
openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out encrypt.txt -pass pass:123456 -p - 運行截圖如下
- 測試命令為：
- 測試RSA算法
- 測試命令為如下：
openssl genrsa -out rsa_private_key.pem 1024：生成一個沒有加密的ca私鑰openssl rsa -in rsa_private_key.pem -pubout -out rsa_public_key.pem：生成公鑰openssl rsautl -encrypt -in readme.txt -inkey a_private_key.pem -out hello.en：加密（加密的內容寫在了readme.txt文件中，內容為20155321lrt）openssl rsautl -decrypt -in hello.en -inkey a_private_key.pem -out hello.de：解密cat hello.de：查看解密後的結果，發現與剛開始卸載readme.txt中的內容一致
- 運行截圖如下
- 測試MD5算法
- 測試命令為如下：
echo "20155321lrt" | openssl dgst -md5：用MD5算法加密信息"20155321lrt" - 運行截圖如下
- 測試命令為如下：
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
- 服務端代碼
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;
}
- 客戶端代碼
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;
} 提交測試截圖
參考資料
實驗所涉及到的知識點
- SSL
- SSL是支持在Internet上進行安全通信的標準，並且將數據密碼術集成到了協議之中。數據在離開計算機前就已被加密，然後只有到達它預定的目標後才被解密。證書和密碼學算法支持了這一切的運轉。
- 理論上，如果加密的數據在到達目標之前被截取或竊聽，那些數據是不能被破解的。可將SSL和安全連接用於Internet上任何類型的協議，還可用SSL來保護Telnet會話。另外，如果連接傳輸敏感信息，則應使用 SSL。
- OpenSSL
- OpenSSL不僅是SSL，它可以實現消息摘要、文件的加密和解密、數字證書、數字簽名和隨機數字。關於OpenSSL庫的內容非常多。
- OpenSSL不僅是API，它還是一個命令行工具，可以測試 SSL 服務器和客戶機。
- 服務端編寫所涉及到的函數
- SSL_library_init()：SSL庫初始化
- OpenSSL_add_all_algorithms：載入所有SSL算法
- SSL_load_error_strings()：載入所有SSL的錯誤消息
- SSL_CTX_new(SSLv23_server_meethod())：產生一個SSL CTX
- SSL_CTX_use_certificate_file：載入用戶的數字證書
- SSL_CTX_use_PrivateKey_file：載入用戶私鑰
- SSL_CTX_check_private_key()：檢查用戶私鑰是否正確
- SSL_new(ctx)：產生一個新的SSL
- SSL_set_fd(ssl,new(fd))：socket加入到SSL
- SSL_accept(ssl)：建立SSL連接
- SSL_write(ssl,buf,strlen(buf))：發消息給客戶端
- SSL_read(ssl,buf,MAXBUF)：接收客戶端的消息
- SSL_shutdown(ssl)：關閉SSL連接
SSL_free(ssl)：釋放SSL
- 客戶端編寫所涉及到的函數
- SSL_library_init()：SSL庫初始化
- OpenSSL_add_all_algorithms：載入所有SSL算法
- SSL_load_error_strings()：載入所有SSL的錯誤消息
- SSL_CTX_new(SSLv23_client_meethod())：產生一個SSL CTX
- SSL_new(ctx)：產生一個新的SSL
- SSL_set_fd(ssl,new(fd))：socket加入到SSL
- SSL_connect(ssl)：建立SSL連接
- SSL_read(ssl.buffer,MAXBUF)：接收服務器來的消息
- SSL_write(ssl,buf,strlen(buf))：發消息給服務端
- SSL_shutdown(ssl)：關閉SSL連接
SSL_free(ssl)：釋放SSL
實驗中遇到的問題及解決
- 在任務一的前期準備工作的編譯階段，輸入命令
gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread會出現如下的錯誤提示
經過查看需要用到的庫文件的相關屬性，如下圖所示，我發現要把編譯過程中需要用到的庫文件直接寫在命令中就可以了
因此，需要輸入命令gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib/libcrypto.a /usr/local/ssl/lib/libssl.a -ldl -lpthread即可
2017-2018-1 20155321 《信息安全系統設計基礎》實驗五——實時系統