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20155236 《信息安全系统设计基础》实验五 通信协议设计

2017-12-17 15:33 453 查看

2017-2018-1 《信息安全系统设计基础》实验五 通信协议设计

实验任务:

1.安装OpenSSL环境,并编写测试代码验证无误

2.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.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

知识梗概:

SSL

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

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。

OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分:

1.密码算法库

2.SSL协议库

3.应用程序

有一篇博客已总结好,如有需要时刻方便查阅:OpenSSL简介



关于使用实例,狄维佳同学写的比较详细,我们可以参考她博客实验五中的常用指令

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。

一:安装OpenSSL环境,并编写测试代码验证无误

安装

我们在linux环境下打开OpenSSL官网,下载该安装包。



由于提取时系统自动解压,所以我并没有使用到解压的命令,有需要的可以使用:
unzip openssl-master.zip
解压。

接下来就可以安装啦,中间时间比较长所以需要耐心等待一下!

命令如下:

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


安装测试

根据要求,我们编写一个测试代码
fcg.c


#include <stdio.h>
#include <openssl/evp.h>

int main(){
OpenSSL_add_all_algorithms();
return 0;
}


然后用
gcc -o test_openssl 你的文件名.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread
命令进行编译。

PS: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



如图生成“fcg”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 混合密码系统防护

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。

标准命令:

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

函数介绍

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>


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();


产生一个 SSL_CTX:

ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());   if (ctx == NULL) {      ERR_print_errors_fp(stdout);     exit(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);     }


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);


建立 SSL 连接:

if (SSL_accept(ssl) == -1) { perror("accept"); close(new_fd); break; }


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);


OpenSSL应用编程框架

- Client端:

ctx = SSL_CTX_new (SSLv23_client_method());
ssl = SSL_new (ctx);
fd = socket ();
connect ();
SSL_set_fd (ssl, fd);
SSL_connect (ssl);
SSL_write ();

- Server端:

ctx = SSL_CTX_new (SSLv23_server_method());
ssl = SSL_new (ctx);
fd = socket ();
bind ();
listen ();
accept ();
SSL_set_fd (ssl, fd);
SSL_accept (ssl);
SSL_read ();

- 产品代码:

#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;
}


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;
}


运行结果:



重点:

1.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


2.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。

参考资料:

2017-2018-1 《信息安全系统设计基础》实验五 通信协议设计

Linux下OpenSSL的安装与使用
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