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2019-2020-12 20175313 20175327 20175329 实验五 通讯协议设计

实验内容
通讯协议设计
OPENSSL

• 1.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。
• 2.功能部分
  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
• 3.作用
  数据加密是信息信息传输中的一个重要组成部分。任何信息都以明文方式传输，确实是个很不安全的做法。所以，需要对数据进行加密。将明文数据转换为密文数据，再进行传输。
  OpenSSL是一套用于SSL/TLS协议的加密工具，其作用有:

1. 生成私有密钥. 
2. 生成证书,即数字签名证书，它包含一个公有密钥，可以用来单向的加密和解密数据。即，使用公钥加密的数据，只能使用私有密钥解密。使用私钥加密的数据，可以使用公钥来解密。 
3. 计算信息摘要.。 
4. SSL/TLS客户端和服务器端测试。 
5. 处理S/MIME标记和邮件的加密。

证书

• 证书就是数字化的文件，里面有一个实体（网站、个人等）的公共密钥和其他的属性，如名称等。该公共密钥只属于某一个特定的实体，它的作用是防止一个实体假装成另外一个实体。证书用来保证不对称加密算法的合理性。

• 我们现在常用的证书是采用X.509结构的，这是一个国际标准证书结构。任何遵循该标准的应用程序都可以读写X509结构的证书。通过检查证书里面的CA的名字，和CA的签名，就知道这个证书的确是由该CA签发的，然后，你就可以简单证书里面的接收证书者的名字，然后提取公共密钥。这样做建立的基础是，你信任该CA，认为该CA没有颁发错误的证书。

• 例如，一个证书的格式如下所示：

-----BEGIN CERTIFICATE-----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-----END CERTIFICATE-----

任务一 Linux下OpenSSL的安装与测试

一、安装指南

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

• 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”
  
  在Linux下使用unzip openssl-master.zip命令解压，如下图所示：
  
• 安装的具体命令如下：

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

等待安装完毕即可。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。

二、安装测试

• 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;
}

使用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。

三、可能出现的问题及解决

编译时可能会出现test_openssl.c:(.text+0xf)：对‘OPENSSL_init_crypto’未定义的引用等“未定义的引用”问题。除去代码编写出错的情况，大多数是因为没有链接相应的库，或者顺序错误。比如首次编译“test_openssl.c”出现以下错误：

解决方法：将“openssl-master”文件夹下的“libcrypto.a”和“libssl.a”放在/usr/local/ssl/lib目录下（注意使用sudo权限）依旧不行之后翻阅百度发现应该是安装包的问题吧，只能从通过万能的重装法进行重装

sudo rm /var/lib/apt/lists/* -vf
sudo apt-get update

即可

任务二 混合密码系统防护

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

二、OpenSSL应用编程框架

下面大致的伪代码说明了调用SSL的一整个流程：
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 ();

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

2019-2020-12 20175313 20175328 20175329 实验五 通讯协议设计

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