2018-2019-1 20165209 20165215 实验五 通讯协议设计

Posted 2021-01-27 fyss

2018-2019-1 20165209 20165215 实验五 通讯协议设计

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实验内容

任务一

1. 两人一组
2. 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
3. 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。
4. 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

实验步骤

任务一

Linux下OpenSSL的安装与测试

• 下载openssl-1.1.0j
• 解压openssl-1.1.0j :tar xzvf openssl-1.1.0j.tar.gz
• 进入源代码目录：cd openssl-1.1.0-pre1
• 编译安装:

./config
$ make
$ make test
$ make install

• 编写测试代码test_openssl.c

 #include <stdio.h>
      #include <openssl/evp.h>
      int main(){
         OpenSSL_add_all_algorithms();
         return 0;
      }

• 编译生成可执行文件test_openssl:-o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread

[注]：-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

• 执行./test_openssl;echo $?，结果正确显示0

测试AES算法

• 相关知识
  • 设置加密密钥：int AES_set_encrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits,AES_KEY *key);
  • 设置解密密钥：int AES_set_decrypt_key(const unsigned char *userKey, const int bits, AES_KEY *key);
  • 对数据进行加解密:AES_ecb_encrypt(const unsigned char *in, unsigned char *out, const AES_KEY *key, const int enc);
• 测试结果如下：

测试RSA算法

• 相关知识
  • 生成一个密钥：openssl genrsa -out prikey.pem 1024，这个文件包含了公钥和密钥两部分，-out指定生成的文件名，后面的1024是生成密钥的长度
  • 分离出公钥:openssl rsa -in prikey.pem -pubout -out pubkey.pem，其中-in指定输入文件
  • 用公钥对文件加密:openssl rsautl -encrypt -pubin -inkey pubkey.pem -in a.text -out b.text
  • 用私钥解密:openssl rsautl -decrypt -inkey prikey.pem -in b.text
• 测试结果如下：

测试MD5算法

• 相关知识：
  • 初始化MD5上下文结构：int MD5_Init(MD5_CTX *c);
  • 刷新MD5，将文件连续数据分片放入进行MD5刷新：int MD5_Update(MD5_CTX *c, const void *data, size_t len);
  • 产生最终的MD5数据：int MD5_Final(unsigned char *md, MD5_CTX *c);
  • 直接产生字符串的MD5：unsigned char *MD5(const unsigned char *d, size_t n, unsigned char *md);
• 测试结果如下：

实现TCP通信

任务二

相关知识

• OpenSSL函数介绍：OpenSSL是一个开放源代码的SSL协议的产品实现，它采用C语言作为开发语言，具备了跨系统的性能。调用OpenSSL的函数就可以实现一个SSL加密的安全数据传输通道，从而保护客户端和服务器之间数据的安全。
  • 头文件：

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

• 基于OpenSSL的程序都要遵循以下几个步骤：
  • OpenSSL初始化：:在使用OpenSSL之前，必须进行相应的协议初始化工作，可以通过int SSL_library_int(void);实现
  • 选择会话协议：在利用OpenSSL开始SSL会话之前，需要为客户端和服务器制定本次会话采用的协议，目前能够使用的协议包括TLSv1.0、SSLv2、SSLv3、SSLv2/v3。
  • 创建会话环境：在OpenSSL中创建的SSL会话环境称为CTX，使用不同的协议会话，其环境也不一样的。
    • 申请SSL会话环境的OpenSSL函数是：SSL_CTX *SSL_CTX_new(SSL_METHOD * method);
    • 制定证书验证方式的函数是：int SSL_CTX_set_verify(SSL_CTX *ctx,int mode,int(*verify_callback),int(X509_STORE_CTX *));
    • 为SSL会话环境加载CA证书的函数是：SSL_CTX_load_verify_location(SSL_CTX *ctx,const char *Cafile,const char *Capath);
    • 为SSL会话加载用户证书的函数是：SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file,int type);
    • 为SSL会话加载用户私钥的函数是：SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx,const char* file,int type);
    • 在将证书和私钥加载到SSL会话环境之后，就可以调用int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx);来验证私钥和证书是否相符：
  • 建立SSL套接字
    • SSL套接字是建立在普通的TCP套接字基础之上，在建立SSL套接字时可以使用下面的一些函数：

    SSL *SSl_new(SSL_CTX *ctx);//申请一个SSL套接字
    
    int SSL_set_fd(SSL *ssl,int fd);)//绑定读写套接字
    
    int SSL_set_rfd(SSL *ssl,int fd);//绑定只读套接字
    
    int SSL_set_wfd(SSL *ssl,int fd);//绑定只写套接字

  • 完成SSL握手
    • 在成功创建SSL套接字后，客户端应使用函数SSL_connect( )来完成握手过程:int SSL_connect(SSL *ssl);
    • 对服务器来讲，使用函数SSL_ accept ( )来完成握手过程:int SSL_accept(SSL *ssl);
    • 握手过程完成之后，通常需要询问通信双方的证书信息，以便进行相应的验证，这可以借助于X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *ssl);来实现
    • 使用X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a);得到证书所用者的名字

  • 进行数据传输

    • 当SSL握手完成之后，就可以进行安全的数据传输了，在数据传输阶段，需要使用SSL_read( )和SSL_write( )来替代传统的read( )和write( )函数，来完成对套接字的读写操作：

    int SSL_read(SSL *ssl,void *buf,int num);
    int SSL_write(SSL *ssl,const void *buf,int num);

  • 结束SSL通信

    • 当客户端和服务器之间的数据通信完成之后，调用下面的函数来释放已经申请的SSL资源：

    int SSL_shutdown(SSL *ssl);//关闭SSL套接字
    void SSl_free(SSL *ssl);//释放SSL套接字
    void SSL_CTX_free(SSL_CTX *ctx); //释放SSL会话环境

运行

• 编译方式:

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

• 生产私钥和证书

openssl genrsa -out privkey.pem 1024

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

• 程序运行方式:

./server 1509 1 CAcert.pem privkey.pem
./telent 127.0.0.1 1509

• 截图

遇到的问题及解决方法

• 问题一：执行./test_openssl;echo $?，结果显示错误

• 解决方法：在/usr/local/ssl路径下创建lib文件夹，然后把openssl_1.1.0j目录下所有*.a文件复制到/usr/local/ssl/lib路径下

• 问题二：无法生成RSA密钥

• 解决方法：输入命令sudo ln -s /usr/local/lib/libssl.so.1.1 /usr/lib/libssl.so.1.1和sudo ln -s /usr/local/lib/libcrypto.so.1.1 /usr/lib/libcrypto.so.1.1后即可生成