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
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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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