2018-2019 1 20165203 实验五通用协议设计

OpenSSL学习

定义：OpenSSL是为网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议，囊括了主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能以及SSL协议，并提供了丰富的应用程序供测试或其它目的使用。
基本功能：
- 密码算法库
- SSL协议库
- 应用程序
其中：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，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）。

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。

实验步骤：
1.安装Openssl。
在虚拟机的Linux系统中前往Openssl官网，下载openssl-master.zip。
下载完毕后，利用unzip openssl-master.zip命令解压，解压后如图所示。

利用如下命令进行安装。

$ ./config
$ make
$ make test
$ make install

安装完毕即可。

2.进行安装测试。

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;
}

使用命令gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread进行编译，生成“test_openssl”可执行文件，运行。接下来，执行echo $?,打印出的结果是0，则代表运行成功。
命令的学习：

-L选项——指定链接库的文件夹地址；
-lcrypto——导入OpenSSL所需包；
-ldl选项——加载动态库；
-lpthread选项——链接POSIX thread库

3.基于Socket实现TCP通信，实现服务器和客户端的通信。连接后，如图所示。

4.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。

编写代码aes.c


#include <memory.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <openssl/aes.h>
#pragma comment(lib,"libeay32.lib")
int main(int argc, char **argv)
{unsigned char buf[512];unsigned char buf2[512];unsigned char buf3[512];unsigned char aes_keybuf[32];memset(buf,1,sizeof(buf));    memset(buf,0,sizeof(buf2));    memset(buf,0,sizeof(buf3));memset(aes_keybuf,0,sizeof(aes_keybuf));AES_KEY aeskey;AES_set_encrypt_key(aes_keybuf,256,&aeskey);for(int i=0;i<sizeof(buf);i+=16)AES_encrypt(buf+i,buf2+i,&aeskey);AES_set_decrypt_key(aes_keybuf,256,&aeskey);for(int i=0;i<sizeof(buf);i+=16)AES_decrypt(buf2+i,buf3+i,&aeskey);if(memcmp(buf,buf3,sizeof(buf))==0)printf("test success\r\n");elseprintf("test fail\r\n");
}

使用gcc aes.c -o aes -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread进行编译，并运行，运行完结果如图所示。

RSA算法

编写rsa.c


#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="I'm 20165203xyx who is a nice student.";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){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;
}

同样的方法编译运行，得到结果，成功。

MD5算法。

#define _GNU_SOURCE#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <ctype.h>#include "openssl/md5.h"MD5_CTX  md5_ctx;
static int MD5mod(const char* str, int length, int mod){char sign[16] = {0};MD5_Init(&md5_ctx);MD5_Update(&md5_ctx, str, length);MD5_Final(sign, &md5_ctx);printf("digest:%s\n",sign);int sum = 0;for (int i=0; i < 16; i ++) {sum += (sign[i]&0xff);}int offset = sum % mod;return offset;}int main(int argc, char** argv){if( argc < 4){fprintf(stderr, "%s num infile outfile\n", argv[0]);exit(-1);}int num = atoi(argv[1]) ;if( num <= 0){fprintf(stderr, "ERROR: num error: %s\n", argv[1]);exit(-1);}FILE* in = fopen(argv[2], "r");if( in == NULL){perror("fopen");fprintf(stderr, "ERROR: infile error: %s\n", argv[2]);exit(-1);}FILE** OUT = (FILE**)malloc(sizeof(FILE*) * num);for(int i=0; i<num; ++i){char buf[256] = {0};sprintf(buf, "%s_%d", argv[3], i);OUT[i] = fopen(buf, "w");if( OUT[i] == NULL){perror("fopen");fprintf(stderr, "ERROR: infile error: %s\n", argv[2]);exit(-1);}}size_t len = 0;ssize_t read;char * line = NULL;while ((read = getline(&line, &len, in)) != -1) {int  klen = 0;while( klen < read ){if( isspace( *(line+klen)) ) break;klen++;}//   char id[256]={0};//   strncpy(id, line, klen);//   printf("id=%s\tklen=%d\tread=%ld\tline=%s", id, klen, read, line);fprintf(OUT[MD5mod(line, klen, num)], "%s", line);}if(line) free(line);return 0;
}

编译运行，如图所示。

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
提交测试截图

学习wc服务器模式如下。

编写代码如下。

server.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 1024int 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]);elsemyport = 5227;if (argv[2])lisnum = atoi(argv[2]);elselisnum = 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);} elseprintf("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);} elseprintf("binded\n");if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {perror("listen");exit(1);} elseprintf("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);} elseprintf("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, "hello");/* 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;} elseprintf("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);elseprintf("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;
}

talent.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 1024int 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]);elsemyport = 5227;if (argv[2])lisnum = atoi(argv[2]);elselisnum = 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);} elseprintf("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);} elseprintf("binded\n");if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {perror("listen");exit(1);} elseprintf("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);} elseprintf("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, "hello");/* 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;} elseprintf("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);elseprintf("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;
}

编译运行。

使用gcc -o server server.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread编译server.c。
使用gcc -o telent telent.c -I /usr/local/ssl/include -L/usr/local/ssl/lib -lssl -lcrypto -ldl -lpthread
使用openssl genrsa -out privkey.pem 1024 openssl req -new -x509 -key privkey.pem -out CAcert.pem -days 1095来生产私钥和证书。
使用./server 5203 1 CAcert.pem privkey.pem ./telent 127.0.0.1 5203来运行。

运行后如图所示。