2017-2018-1 20155202 实验五 固件程序设计

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2017-2018-1 20155202 实验五 固件程序设计

实验内容

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。

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

SSL简介:

  • SSL是Secure Sockets Layer(安全套接层协议)
    的缩写,可以在Internet上提供秘密性传输。Netscape公司在推出第一个Web浏览器的同时,提出了SSL协议标准。其目标是保证两个应用间通信的保密性和可靠性,可在服务器端和用户端同时实现支持。已经成为Internet上保密通讯的工业标准。
  • SSL能使用户/服务器应用之间的通信不被攻击者窃听,并且始终对服务器进行认证,还可选择对用户进行认证。SSL协议要求建立在可靠的传输层协议(TCP)之上。SSL协议的优势在于它是与应用层协议独立无关的,高层的应用层协议(例如:HTTP,FTP,TELNET等)能透明地建立于SSL协议之上。SSL协议在应用层协议通信之前就已经完成加密算法、通信密钥的协商及服务器认证工作。在此之后应用层协议所传送的数据都会被加密,从而保证通信的私密性。

OpenSSL简介

  • OpenSSL 是一个安全套接字层密码库,囊括主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能及SSL协议,并提供丰富的应用程序供测试或其它目的使用。
  • OpenSSL被曝出现严重安全漏洞后,发现多数通过SSL协议加密的网站使用名为OpenSSL的开源软件包。OpenSSL漏洞不仅影响以https开头的网站,黑客还可利用此漏洞直接对个人电脑发起“心脏出血”(Heartbleed)攻击。据分析,Windows上有大量软件使用了存在漏洞的OpenSSL代码库,可能被黑客攻击抓取用户电脑上的内存数据。

SSL和TLS协议

  • OpenSSL实现了SSL协议的SSLv2和SSLv3,支持了其中绝大部分算法协议。OpenSSL也实现了TLSv1.0,TLS是SSLv3的标准化版,虽然区别不大,但毕竟有很多细节不尽相同。
    虽然已经有众多的软件实现了OpenSSL的功能,但是OpenSSL里面实现的SSL协议能够让我们对SSL协议有一个更加清楚的认识,因为至少存在两点:一是OpenSSL实现的SSL协议是开放源代码的,我们可以追究SSL协议实现的每一个细节;二是OpenSSL实现的SSL协议是纯粹的SSL协议,没有跟其它协议(如HTTP)协议结合在一起,澄清了SSL协议的本来面目。

对称加密

  • OpenSSL一共提供了8种对称加密算法,其中7种是分组加密算法,仅有的一种流加密算法是RC4。这7种分组加密算法分别是AES、DES、Blowfish、CAST、IDEA、RC2、RC5,都支持电子密码本模式(ECB)、加密分组链接模式(CBC)、加密反馈模式(CFB)和输出反馈模式(OFB)四种常用的分组密码加密模式。其中,AES使用的加密反馈模式(CFB)和输出反馈模式(OFB)分组长度是128位,其它算法使用的则是64位。事实上,DES算法里面不仅仅是常用的DES算法,还支持三个密钥和两个密钥3DES算法。

非对称加密

  • OpenSSL一共实现了4种非对称加密算法,包括DH算法、RSA算法、DSA算法和椭圆曲线算法(EC)。DH算法一般用于密钥交换。RSA算法既可以用于密钥交换,也可以用于数字签名,当然,如果你能够忍受其缓慢的速度,那么也可以用于数据加密。DSA算法则一般只用于数字签名。

信息摘要

OpenSSL实现了5种信息摘要算法,分别是MD2、MD5、MDC2、SHA(SHA1)和RIPEMD。SHA算法事实上包括了SHA和SHA1两种信息摘要算法。此外,OpenSSL还实现了DSS标准中规定的两种信息摘要算法DSS和DSS1。

OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分:

  • 密码算法库
  • SSL协议库
  • 应用程序

Linux下OpenSSL的安装

环境

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

切记:下载第二个,不然会出错

下载

安装过程

Linux下的应用大多可以直接使用,也可以获取源代码自己进行编译、安装,使用源代码安装的过程一般是:

- config
- make
- make install
  1. OpenSSL的安装首先解压源代码:

tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz

  1. 然后进入源代码目录:

cd openssl-1.1.0-pre1
3. 然后使用下列命令编译安装:

- ./config
- make
- sudo make install
  1. 使用make test测试一下有没有问题。

Linux下OpenSSL的使用

  • OpenSSL应用程序

通过man openssl查看帮助文档。

  • OpenSSL密码算法库

  • 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;
}
  • 然后用下面命令编译:
gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread
  • 执行
./to;echo $?
  • 结果打印0

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

  • 对称加密:
使用的标准命令为 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径

-out filename:指定加密后的文件存放路径

-salt:自动插入一个随机数作为文件内容加密,默认选项

-e:可以指明一种加密算法,若不指的话将使用默认加密算法

-d:解密,解密时也可以指定算法,若不指定则使用默认算法,但一定要与加密时的算法一致

-a/-base64:使用-base64位编码格式
  • AES的用法如下:
  • openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass pass:123456 //密码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]
常用选项:

-in filename:指明私钥文件

-out filename:指明将提取出的公钥保存至指定文件中 

-pubout:根据私钥提取出公钥
  • MD5 的用法如下:
openssl passwd -1 -in test.txt -salt 12345678    

生成密码需要使用的标准命令为 passwd ,用法如下:

openssl passwd [-crypt] [-1] [-apr1] [-salt string] [-in file] [-stdin] [-noverify] [-quiet] [-table] {password}
常用选项有:

-1:使用md5加密算法

-salt string:加入随机数,最多8位随机数

-in file:对输入的文件内容进行加密

-stdion:对标准输入的内容进行加密
  • 测试结果截图:

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

混合密码系统示意图如下所示

伪代码:

  • 服务器:
接收客户端发来的会话密钥密文
利用预先生成的RSA公钥解密得到会话密钥
接收客户端发来的密文
用会话密钥解密密文得到明文
将明文存入文件
调用mywc()函数计算文件中单词数
客户端:
利用c语言中的rand()函数生成32字节的伪随机数数组构成会话密钥
用预先生成的RSA私钥加密会话密钥
将会话密钥发送给服务器
用会话密钥加密指定文件
将密文发送给服务器
调用mywc()函数计算文件中单词数

实验步骤及思路:

  1. 头文件:
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>
  1. SSL库初始化
SSL_library_init();
  1. 载入所有 SSL 算法
OpenSSL_add_all_algorithms();
  1. 载入所有 SSL 错误消息
SSL_load_error_strings();
  1. 产生一个 SSL_CTX
ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
if (ctx == NULL) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);}
  1. 载入用户的数字证书
if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
    }
  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);
    }
    
if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
    ERR_print_errors_fp(stdout);
    exit(1);
    }
  1. 基于 ctx 产生一个新的 SSL,并将连接用户的 socket 加入到 SSL
ssl = SSL_new(ctx);
SSL_set_fd(ssl, new_server_socket_fd);
  1. 建立 SSL 连接
if (SSL_accept(ssl) == -1) {
    perror("accept");
    close(new_fd);
    break;
    }
  1. SSL数据传输
int len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);
    
if (len > 0)
    printf("接收消息成功:\'%s\',共%d个字节的数据\\n", buffer, len);
else
    printf("消息接收失败!错误代码是%d,错误信息是\'%s\'\\n",errno, strerror(errno));
  1. 客户端与服务器传输完数据后,关闭 SSL 连接,释放 SSL
SSL_shutdown(ssl);
SSL_free(ssl);
释放 CTX
SSL_CTX_free(ctx);

对telent和server 进行编译:


  • 实验结果:

代码托管

产品代码:

  • 服务器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 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);
    } 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);
        /* 等待客户端连上来 */
        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, "server->client");
        /* 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;
        } else
            printf("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);
        else
            printf
                ("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;
}
  • 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("数字证书信息:\\n");  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);  
        printf("证书: %s\\n", line);  
        free(line);  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);  
        printf("颁发者: %s\\n", line);  
        free(line);  
       X509_free(cert);  
    } else  
        printf("无证书信息!\\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("参数格式错误!正确用法如下:\\n\\t\\t%s IP地址 端口\\n\\t比如:\\t%s 127.0.0.1 80\\n此程序用来从某个"  
             "IP 地址的服务器某个端口接收最多 MAXBUF 个字节的消息",  
             argv[0], argv[0]);  
        exit(0);  
    }  
  
    /* SSL 库初始化,参看 ssl-server.c 代码 */  
    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);  
    }  
  
    /* 创建一个 socket 用于 tcp 通信 */  
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {  
        perror("Socket");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("socket created\\n");  
  
    /* 初始化服务器端(对方)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");  
  
    /* 连接服务器 */  
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) {  
        perror("Connect ");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("server connected\\n");  
  
    /* 基于 ctx 产生一个新的 SSL */  
    ssl = SSL_new(ctx);  
    SSL_set_fd(ssl, sockfd);  
    /* 建立 SSL 连接 */  
    if (SSL_connect(ssl) == -1)  
        ERR_print_errors_fp(stderr);  
    else {  
        printf("Connected with %s encryption\\n", SSL_get_cipher(ssl));  
        ShowCerts(ssl);  
    }  
  
    /* 接收对方发过来的消息,最多接收 MAXBUF 个字节 */  
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);  
    /* 接收服务器来的消息 */  
    len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);  
    if (len > 0)  
        printf("接收消息成功:\'%s\',共%d个字节的数据\\n",  
               buffer, len);  
    else {  
        printf  
            ("消息接收失败!错误代码是%d,错误信息是\'%s\'\\n",  
             errno, strerror(errno));  
        goto finish;  
    }  
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);  
    strcpy(buffer, "from client->server");  
    /* 发消息给服务器 */  
    len = SSL_write(ssl, buffer, strlen(buffer));  
    if (len < 0)  
        printf  
            ("消息\'%s\'发送失败!错误代码是%d,错误信息是\'%s\'\\n",  
             buffer, errno, strerror(errno));  
    else  
        printf("消息\'%s\'发送成功,共发送了%d个字节!\\n",  
               buffer, len);  
  
  finish:  
    /* 关闭连接 */  
    SSL_shutdown(ssl);  
    SSL_free(ssl);  
    close(sockfd);  
    SSL_CTX_free(ctx);  
    return 0;  
}

实验中出现的问题:

问题:实验一编译时候出错:

解答:因为我并没有把libcypto.a和libssl.a导入到lib文件夹下,通过参考狄维佳同学的博客成功导入两个文件从而完成编译
  • 使用命令:
  • 成功导入:

问题2:gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread中 -I是什么意思?

解答:
  • -l参数就是用来指定程序要链接的库,-l参数紧接着就是库名。
    放在/lib和/usr/lib和/usr/local/lib里的库直接用-l参数就能链接了。
与-L命令的区别:

如果库文件没放在这三个目录里,而是放在其他目录里,链接程序ld在那3个目录里找不到libxxx.so,-L参数跟着的是库文件所在的目录名。

实验体会:

本次实验通过研究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,然后实现双方通信,感觉越来越贴近生活了,我们日常生活中的qq微信等软件应该也是以此为基础进行通信才能保证其安全性,以后生活中再看到类似的东西都会想到这次的实验。

以上是关于2017-2018-1 20155202 实验五 固件程序设计的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

2017-2018-1 20155202 《信息安全系统设计基础》第11周学习总结

2017-2018-1 20155202 《信息安全系统设计基础》第14周学习总结

2017-2018-1 20155202 《信息安全系统设计基础》第10周学习总结

2017-2018-1 20155202 《信息安全系统设计基础》第9周学习总结

2017-2018-1 20155202 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

2017-2018-1 20162306 实验五实验报告