2017-2018-1 20155339《信息安全系统设计基础》 实验五 通讯协议设计
2017-2018-1 《信息安全系统设计基础》 实验五 通讯协议设计
实验要求
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
- 提交测试截图
实验过程
任务一
前期基础
-
openssl是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。
-
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协议库以及应用程序。
-
OpenSSL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。
-
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(3DES)、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。
-
OpenSSL提供的CA应用程序就是一个小型的证书管理中心(CA),实现了证书签发的整个流程和证书管理的大部分机制。
Linux下OpenSSL的安装与使用
- 通过老师提供的链接进行下载Linux下OpenSSL的安装与使用,并安装,具体步骤如下:
1.点击下图所示链接下载:
2.安装成功后用命令行解压
3.解压源代码:tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz
4.进入源代码目录:cd openssl-1.1.0-pre1
5.使用下列命令编译安装:
./config
make
make test
make install
make的过程可能需要等一会儿,完成上述步骤就安装好了。
- 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;
}
进行编译并运行:
gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread
echo $?
其中 -L之后指定的是链接库的路径,由于要导入OpenSSL所以使用-lcrypto参数
运行结果如下:
根据代码return 0了则说明安装成功。
基于Socket实现TCP通信
-
socket的基本操作:
socket()函数、bind()函数、listen()、connect()函数、accept()函数、read()、write()函数等。 -
socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字,而socket()用于创建一个socket描述符(socket descriptor),它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样,后续的操作都有用到它,把它作为参数,通过它来进行一些读写操作。
使用方法:int socket(int domain, int type, int protocol);
-
bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
-
如果作为一个服务器,在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket,如果客户端这时调用connect()发出连接请求,服务器端就会接收到这个请求。
int listen(int sockfd, int backlog); int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
-
TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后,就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后,就会调用accept()函数取接收请求,这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了,即类同于普通文件的读写I/O操作。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
-
read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时,read返回实际所读的字节数,如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了,小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的,如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
-
rite函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1,并设置errno变量。
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
-
close()函数: 在服务器与客户端建立连接之后,会进行一些读写操作,完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字,好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。
-
我实现的是我客户端:
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#define SERVER_PORT 3901
#define BUFLEN 1024
/*
连接到服务器后,会不停循环,等待输入,
输入quit后,断开与服务器的连接
*/
int main()
{
//客户端只需要一个套接字文件描述符,用于和服务器通信
int clientSocket;
//描述服务器的socket
struct sockaddr_in serverAddr;
char sendbuf[BUFLEN];
char recvbuf[BUFLEN];
int iDataNum;
if((clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
{
perror("socket");
return 1;
}
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
//指定服务器端的ip,本地测试:127.0.0.1
//inet_addr()函数,将点分十进制IP转换成网络字节序IP
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
if(connect(clientSocket, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0)
{
perror("connect");
return 1;
}
printf("connect with destination host...\n");
while(1)
{
printf("Input your world:>");
//memset(sendbuf,0,sizeof(sendbuf));
bzero(sendbuf,BUFLEN);
fgets(sendbuf,BUFLEN,stdin);
send(clientSocket, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);
if(!strncasecmp(sendbuf,"quit",4))
break;
iDataNum = recv(clientSocket, recvbuf, BUFLEN, 0);
printf("recv data of my world is: %s\n", recvbuf);
bzero(recvbuf,BUFLEN);
}
close(clientSocket);
return 0;
}
- 运行截图如下:
通过openssl测试密码算法
-
openssl提供了两种方式调用对称加密算法:
一种就是直接调用对称加密指令,如openssl des-cbc -in plain.txt -out encrypt.txt -pass pass:12345678
。
另外一种是使用enc的方式,即用对称加密指令作为enc指令的参数:openssl enc -des-cbc -in plain.txt -out encrypt.txt -pass pass:12345678
-
两种方式效果一样,但是更推荐使用enc,因为,用户使用时,只需使用enc,指定加密算法,就是完成单独的加密算法指令完成的操作,此外,enc中可以指定的对称加密算法指令可能并没有以单独指令的形式存在,所以此处我们用enc方式来调用加密算法。
-
通过查看enc的man手册查看enc的详细用法如下:
-
in/out:这两个参数指定输入文件和输出文件。即加密是输入文件是明文,输出文件是密文;解密时输入文件是密文,输出文件是明文。
-
pass:指定密码的输入方式,共有五种方式:命令行输入(stdin)、文件输入(file)、环境变量输入(var)、文件描述符输入(fd)、标准输入(stdin)。默认是标准输入,及从键盘输入。
-
e/d->e:加密, d:解密 默认是加密。
-
-pubout / -pubin 指明输出文件或输入文件是公钥文件。
-
md:指定密钥生成的摘要算法,用户输入的口令不能直接作为文件加密的密钥,而是经过摘要算法做转换,此参数指定摘要算法,默认md5。
-
-a/-base64:由于文件加密后是二进制形式,不方便查看,使用该参数可以使加密后的内容经过base64编码,使其可读;同样,解密时需要先进行base64解编码,然后进行解密操作。
-
openssl genrsa 用于生成rsa私钥文件,生成是可以指定私钥长度和密码保护。语法:openssl genrsa[-out filename] [-passout arg] [-des] [-des3] [-idea] [-f4] [-3] [-rand file(s)] [-engine id] [numbits]。
-
openssl dgst 消息摘要语法:openssl dgst[-md5|-md4|-md2|-sha1|-sha|-mdc2|-ripemd160|-dss1] [-c] [-d] [-hex] [-binary] [-out filename] [-sign filename] [-keyform arg] [-passin arg] [-verify filename] [-prverify filename] [-signature filename] [-hmac key] [file...]
-
练习:只对文件进行base64编码,而不使用加解密,则应该使用如下命令:
openssl enc -base64 -in plain.txt -out base64.txt /*对文件进行base64编码*/
openssl enc -base64 -d -in base64.txt -out plain2.txt /*对base64格式文件进行解密操作*/
diff plain.txt plain2.txt /*使用diff命令查看可知解码前后明文一样*/
- 运行结果如下:
测试AES可以使用如下命令:
-
命令行输入密码,密码123456 :
openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass pass:123456
; -
文件输入,密码123456:
echo 123456 > passwd.txt
openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass file:passwd.txt
; -
从标准输入输入:
openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass stdin
。
测试RSA使用如下命令:
-
生成rsa私钥文件:
openssl genrsa -out rsaprivatekey.pem 1024
。 -
生成公钥文件,指明输出文件是公钥文件
openssl rsa -in rsaprivatekey.pem -pubou -out rsapubckey.pem
。 -
用公钥匙rsapubckey.pem加密文件plain.txt,输出到文件hello.en:
openssl rsautl -encrypt -in plain.txt -inkey rsapubckey.pem -pubin -out hello.en
; -
使用私钥匙rsaprivatekey.pem解密密文hello.en,输出到文件hello.de:
openssl rsautl -decrypt -in hello.en -inkey rsaprivatekey.pem -pubin -out hello.de
测试md5:
openssl dgst -md5 20155339.txt
echo "plain.txt" | openssl dgst -md5
- 运行结果如下:
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
任务二中给出。
任务二
前期基础
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,这可以通过下面的函数实现:
int SSL_library_int(void);
-
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。 -
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,intmode,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,constchar *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,inttype);
-
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,inttype);
-
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);
-
建立SSL套接字:
1.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,intfd);//绑定读写套接字
int SSL_set_rfd(SSL *ssl,intfd); //绑定只读套接字
int SSL_set_wfd(SSL *ssl,int fd);//绑定只写套接字
-
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);
-
进行数据传输,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: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
- 代码如下:
#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;
}
#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;
}
出现的问题
-
安装之后编译测试代码出现下图所示问题。
-
解决方法:使用
sudo apt-get install libssh-dev
命令获取libssh-dev包,再次尝试就可以成功。 -
在实验过程中还有一系列理论问题,在实验过程中已经将得到的知识点贴出,下面也有参考资料。