2017-2018-1 20155302 实验五 通信协议设计

任务一

?在Ubuntu中完成 http://www.cnblogs.com/rocedu/p/5087623.html 中的作业

?提交运行结果截图

了解学习openssl：

OpenSSL简介

OpenSSL是一个SSL协议的开源实现，采用C语言作为开发语言，具备了跨平台的能力，支持Unix/Linux、Windows、Mac OS等多种平台。

OpenSSL最早的版本在1995年发布，1998年后开始由OpenSSL项目组维护和开发。当前最新的版本是1.1.0 alpha版本，完全实现了对SSLv1、SSLv2、SSLv3和TLS的支持。。目前，OpenSSL已经得到了广泛的应用，许多类型的软件中的安全部分都使用了OpenSSL的库，如VOIP的OpenH323协议、Apache服务器、Linux安全模块等等。

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
OpenSSL源码的目录结构也是围绕这三个功能部分进行规划的。

密码算法库是一个强大完整的密码算法库，它是OpenSSL的基础部分，也是很值得一般密码安全技术人员研究的部分，它实现了目前大部分主流的密码算法和标准。主要包括对称算法、非对称算法、散列算法、数字签名和认证、X509数字证书标准、PKCS12、PKCS7等标准。其他两个功能部分SSL协议和应用程序都是基于这个库开发的。

在密码算法库的基础上实现的，SSL协议部分完全实现和封装了SSL协议的三个版本和TLS协议。使用协议库，你完全可以建立一个SSL服务器和SSL客户端。

应用程序是基于密码算法库和SSL协议库实现的命令，熟悉OpenSSL可以从使用这些应用程序开始。应用程序覆盖了密码技术的应用，主要包括了各种算法的加密程序和各种类型密钥的产生程序(如RSA、Md5、Enc等等)、证书签发和验证程序（如Ca、X509、Crl等）、SSL连接测试程序（如S_client和S_server等）以及其它的标准应用程序（如Pkcs12和Smime等）。

Linux下OpenSSL的安装与测试

?首先去老师给出的连接中下载环境

?然后解压压缩包Linux中终端解压指令unzip openssl-master.zip

?安装过程：
首先解压源代码：tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz

然后进入源代码目录：cd openssl-1.1.0-pre1
然后使用下列命令编译安装：

./configure

make

sudo make install

如果安装过程中出现任何问题，都可以参考其目录下“INSTALL”的相应安装说明解决。

学习使用Linux下OpenSSL

通过man openssl查看帮助文档。

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;
}

然后用下面的指令进行编译：gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread生成“test_openssl”可执行文件，然后运行并执行echo $?,结果打印0.

打印截图：

任务一作业

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。

基于socket实现TCP通信：
客户端代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define BUFLEN 10

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in s_addr;
    socklen_t len;
    unsigned int port;
    char buf[BUFLEN];    
    
    /*建立socket*/
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
        perror("socket");
        exit(errno);
    }else
        printf("socket create success!\n");

    /*设置服务器端口*/    
    if(argv[2])
        port = atoi(argv[2]);
    else
        port = 4567;
    /*设置服务器ip*/
    bzero(&s_addr, sizeof(s_addr));
    s_addr.sin_family = AF_INET;
    s_addr.sin_port = htons(port);
    if (inet_aton(argv[1], (struct in_addr *)&s_addr.sin_addr.s_addr) == 0) {
        perror(argv[1]);
        exit(errno);
    }
    /*开始连接服务器*/    
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&s_addr,sizeof(struct sockaddr)) == -1){
        perror("connect");
        exit(errno);
    }else
        printf("conncet success!\n");
    
    while(1){
        /******接收消息*******/
        bzero(buf,BUFLEN);
        len = recv(sockfd,buf,BUFLEN,0);
        if(len > 0)
            printf("服务器发来的消息是：%s,共有字节数是: %d\n",buf,len);
        else{
            if(len < 0 )
                printf("接受消息失败！\n");
            else
                printf("服务器退出了，聊天终止！\n");
            break;    
        }
    _retry:    
        /******发送消息*******/    
        bzero(buf,BUFLEN);
        printf("请输入发送给对方的消息：");
        /*fgets函数：从流中读取BUFLEN-1个字符*/
        fgets(buf,BUFLEN,stdin);
        /*打印发送的消息*/
        //fputs(buf,stdout);
        if(!strncasecmp(buf,"quit",4)){
            printf("client 请求终止聊天!\n");
            break;
        }
        /*如果输入的字符串只有"\n"，即回车，那么请重新输入*/
        if(!strncmp(buf,"\n",1)){
            printf("输入的字符只有回车，这个是不正确的！！！\n");
            goto _retry;
        }
        /*如果buf中含有‘\n‘，那么要用strlen(buf)-1，去掉‘\n‘*/    
        if(strchr(buf,‘\n‘))
            len = send(sockfd,buf,strlen(buf)-1,0);
        /*如果buf中没有‘\n‘，则用buf的真正长度strlen(buf)*/    
        else
            len = send(sockfd,buf,strlen(buf),0);
        if(len > 0)
            printf("消息发送成功，本次共发送的字节数是：%d\n",len);            
        else{
            printf("消息发送失败!\n");
            break;            
        }
    }
    /*关闭连接*/
    close(sockfd);

    return 0;
}

服务器代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define BUFLEN 10

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd, newfd;
    struct sockaddr_in s_addr, c_addr;
    char buf[BUFLEN];
    socklen_t len;
    unsigned int port, listnum;
    
    /*建立socket*/
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
        perror("socket");
        exit(errno);
    }else
        printf("socket create success!\n");
    /*设置服务器端口*/    
    if(argv[2])
        port = atoi(argv[2]);
    else
        port = 4567;
    /*设置侦听队列长度*/
    if(argv[3])
        listnum = atoi(argv[3]);
    else
        listnum = 3;
    /*设置服务器ip*/
    bzero(&s_addr, sizeof(s_addr));
    s_addr.sin_family = AF_INET;
    s_addr.sin_port = htons(port);
    if(argv[1])
        s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    else
        s_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    /*把地址和端口帮定到套接字上*/
    if((bind(sockfd, (struct sockaddr*) &s_addr,sizeof(struct sockaddr))) == -1){
        perror("bind");
        exit(errno);
    }else
        printf("bind success!\n");
    /*侦听本地端口*/
    if(listen(sockfd,listnum) == -1){
        perror("listen");
        exit(errno);    
    }else
        printf("the server is listening!\n");
    while(1){
        printf("*****************聊天开始***************\n");
        len = sizeof(struct sockaddr);
        if((newfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*) &c_addr, &len)) == -1){
            perror("accept");        
            exit(errno);
        }else
            printf("正在与您聊天的客户端是：%s: %d\n",inet_ntoa(c_addr.sin_addr),ntohs(c_addr.sin_port));
        while(1){
        _retry:
            /******发送消息*******/
            bzero(buf,BUFLEN);
            printf("请输入发送给对方的消息：");
            /*fgets函数：从流中读取BUFLEN-1个字符*/
            fgets(buf,BUFLEN,stdin);
            /*打印发送的消息*/
            //fputs(buf,stdout);
            if(!strncasecmp(buf,"quit",4)){
                printf("server 请求终止聊天!\n");
                break;
            }
            /*如果输入的字符串只有"\n"，即回车，那么请重新输入*/
            if(!strncmp(buf,"\n",1)){
                printf("输入的字符只有回车，这个是不正确的！！！\n");
                goto _retry;
            }    
            /*如果buf中含有‘\n‘，那么要用strlen(buf)-1，去掉‘\n‘*/            
            if(strchr(buf,‘\n‘))
                len = send(newfd,buf,strlen(buf)-1,0);
            /*如果buf中没有‘\n‘，则用buf的真正长度strlen(buf)*/    
            else
                len = send(newfd,buf,strlen(buf),0);
            if(len > 0)
                printf("消息发送成功，本次共发送的字节数是：%d\n",len);            
            else{
                printf("消息发送失败!\n");
                break;            
            }
            /******接收消息*******/
            bzero(buf,BUFLEN);
            len = recv(newfd,buf,BUFLEN,0);
            if(len > 0)
                printf("客户端发来的信息是：%s,共有字节数是: %d\n",buf,len);
            else{
                if(len < 0 )
                    printf("接受消息失败！\n");
                else
                    printf("客户端退出了，聊天终止！\n");
                break;        
            }
        }
        /*关闭聊天的套接字*/
        close(newfd);
        /*是否退出服务器*/
        printf("服务器是否退出程序：y->是；n->否? ");
        bzero(buf, BUFLEN);
        fgets(buf,BUFLEN, stdin);
        if(!strncasecmp(buf,"y",1)){
            printf("server 退出!\n");
            break;
        }
    }
    /*关闭服务器的套接字*/
    close(sockfd);
    return 0;
}

通信交流实验截图：

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：

测试截图：

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

?提交测试截图

了解学习混合密码系统

混合密码系统图解：

基础openssl模块了解学习

    #include <openssl/ssl.h>  
    #include <openssl/err.h>         //openssl头文件 

SSL_CTX *ctx=NULL; /* SSL会话环境 */

SSL *ssl=NULL; /* SSL安全套接字 */

使用SSL_CTX_new()创建会话环境，建立连接时要使用协议由TLS_server_method()来定。如果这一步出错，需要查看错误栈来查看原因

    if( NULL==(ctx=SSL_CTX_new(TLS_server_method())) )     
    {  
        ERR_print_errors_fp(stdout);  
        break;  
    }   

if( 0>=SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, "./cacert.pem", SSL_FILETYPE_PEM/*SSL_FILETYPE_ASN1*/) ) /* 为SSL会话加载用户证书 */

if( 0>=SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, "./privkey.pem", SSL_FILETYPE_PEM/*SSL_FILETYPE_ASN1*/) )/* 为SSL会话加载用户私钥 */

if( -1==SSL_accept(ssl) ) /* SSL层握手 */

SSL_shutdown(SSL *ssl);//关闭SSL套接字

SSl_free(SSL *ssl);//释放SSL套接字

SSL_CTX_free(SSL_CTX *ctx); //释放SSL会话环境

加密代码

server：

#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;
}

client：

#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;  
}  

生成私钥和证书：

openssl genrsa -out privkey.pem 1024
openssl req -new -x509 -key privkey.pem -out CAcert.pem -days 1095

程序运行方式:

./server 5302 1 CAcert.pem privkey.pem
./client 127.0.0.1 5302

实验截图：

实验中遇到的问题及解决方法

Q:任务一在编译的时候显示有错误编译失败。

A：系统里没有libssl-dev包，需要安装后再编译，安装指令sudo apt-get install libssl-dev之后再次编译便能够成功。

实验感想：

本次实验学习了openssl指令与使用方法受益匪浅，在学习的过程中也复习到了许多以前的知识，本次实验与web编程和密码学两门功课息息相关，希望在以后的学习道路上能够融会贯通，一帆风顺。