2018-2019-1 20165303 实验五 通讯协议设计

任务一

• Linux下OpenSSL的安装与使用
  前往OpenSSL官网，选择打开OpenSSL源码下载地址，按照下图所示方法下载压缩包“openssl-master.zip
  Linux下使用unzip openssl-master.zip命令解压
  安装的具体命令如下：
  $ ./config
$ make
$ make test
$ make install

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;
}

gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread命令编译，生成“test_openssl”可执行文件，
运行程序，并执行echo $?，结果打印0，测试结果表明安装成功。

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

『一、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：

（1）OpenSSL初始化：
在使用OpenSSL之前，必须进行相应的协议初始化工作，可以通过下面的函数实现：

int SSL_library_int(void);

（2）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。

需要注意的是，客户端和服务器必须使用相互兼容的协议，否则SSL会话将无法正常进行。

（3）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);

当SSL会话环境申请成功后，还要根据实际的需要设置CTX的属性，通常的设置是指定SSL握手阶段证书的验证方式和加载自己的证书。

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，就可以调用下面的函数来验证私钥和证书是否相符：
int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx);

（4）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
（5）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( )替代传统的函数connect( )来完成握手过程:
int SSL_connect(SSL *ssl);

而对服务器来讲，则应使用函数SSL_ accept ( )替代传统的函数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，这可以借助于下面的函数来实现:
X509 *SSL_get_peer_certificate(SSL *ssl);

该函数可以从SSL套接字中提取对方的证书信息，这些信息已经被SSL验证过了。
X509_NAME *X509_get_subject_name(X509 *a);

该函数得到证书所用者的名字。

（6）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);
（7）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

• server代码

#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;
}

• talent代码

#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;  
}  

• 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
• 生成的私钥和证书如图
  

程序运行方式:
./server 7838 1 CAcert.pem privkey.pem
./telent 127.0.0.1 7838

• 如果运行程序出现如下问题时
  openssl: error while loading shared libraries: libssl.so.1.1

在ubuntu 16.4LTS上编译安装openssl后，运行de >openssl versionde>出现如下错误：

openssl: error while loading shared libraries: libssl.so.1.1: cannot open shared object file: No such file or directory

这是由于openssl库的位置不正确造成的。

解决方法：
sudo 执行:

ln -s /usr/local/lib/libssl.so.1.1 /usr/lib/libssl.so.1.1
ln -s /usr/local/lib/libcrypto.so.1.1 /usr/lib/libcrypto.so.1.1