2017-2018-1 20155304 實驗五 通訊協議設計

實驗步驟

實驗五 通訊協議設計-1

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

提交運行結果截圖

1. 兩人一組
2. 基於Socket實現TCP通信，一人實現服務器，一人實現客戶端
3. 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
4. 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。
5. 學有余力者，對系統進行安全性分析和改進。

Linux下OpenSSL的安裝與使用

OpenSSL簡介

OpenSSL是一個SSL協議的開源實現，采用C語言作為開發語言，具備了跨平臺的能力，支持Unix/Linux、Windows、Mac OS等多種平臺。

OpenSSL最早的版本在1995年發布，1998年後開始由OpenSSL項目組維護和開發。當前最新的版本是1.1.0 alpha版本，完全實現了對SSLv1、SSLv2、SSLv3和TLS的支持。。目前，OpenSSL已經得到了廣泛的應用，許多類型的軟件中的安全部分都使用了OpenSSL的庫，如VOIP的OpenH323協議、Apache服務器、Linux安全模塊等等。

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
  OpenSSL源碼的目錄結構也是圍繞這三個功能部分進行規劃的。

密碼算法庫是一個強大完整的密碼算法庫，它是OpenSSL的基礎部分，也是很值得一般密碼安全技術人員研究的部分，它實現了目前大部分主流的密碼算法和標準。主要包括對稱算法、非對稱算法、散列算法、數字簽名和認證、X509數字證書標準、PKCS12、PKCS7等標準。其他兩個功能部分SSL協議和應用程序都是基於這個庫開發的。

在密碼算法庫的基礎上實現的，SSL協議部分完全實現和封裝了SSL協議的三個版本和TLS協議。使用協議庫，你完全可以建立一個SSL服務器和SSL客戶端。

應用程序是基於密碼算法庫和SSL協議庫實現的命令，熟悉OpenSSL可以從使用這些應用程序開始。應用程序覆蓋了密碼技術的應用，主要包括了各種算法的加密程序和各種類型密鑰的產生程序(如RSA、Md5、Enc等等)、證書簽發和驗證程序（如Ca、X509、Crl等）、SSL連接測試程序（如S_client和S_server等）以及其它的標準應用程序（如Pkcs12和Smime等）。

Linux下OpenSSL的安裝

1. 按照實驗步驟前往SSL官網下載OpenSSL

1. 解壓文件 unzip openssl-master.zip
   3.安裝文件：

./config

make

make test

make install

4.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;
}

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.

完成截圖：

實驗五 通訊協議設計-2

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

提交測試截圖

混合密碼系統圖解：

頭文件：

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

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();

產生一個 SSL_CTX

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

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);
    }

服務器代碼：

#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;
}

客戶端代碼：

#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;  
}  

編譯

gcc -o server server.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread

gcc -o telent telent.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread

生產私鑰和證書

openssl genrsa -out privkey.pem 1024

openssl req -new -x509 -key privkey.pem -out CAcert.pem -days 1095

程序運行

./server 7838 1 CAcert.pem privkey.pem

./telent 127.0.0.1 7838

運行截圖：

2017-2018-1 20155304 實驗五 通訊協議設計