2017-2018-1 20155321 《信息安全系统设计基础》实验五——实时系统
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
实验步骤
- 实验前的准备
- 下载OpenSSL最新版本:参考网址
- 解压源代码:输入命令
tar xzvf openssl-1.0.2n.tar.gz
- 进入源代码目录:输入命令
cd openssl-1.0.2n
- 编译安装:依次输入命令
./config
、make
和sudo make install
- 测试是否安装成功:输入命令
make test
- 由上图可以发现,安装成功
- 下载OpenSSL最新版本:参考网址
- Socket实现TCP通信
- 主要是实现TCP/IP协议中的三次握手
- 在实际实现的过程中按照下图所示的步骤,调用系统函数即可:
- 此项实践内容在实验三中已经实现
- 服务端
- 主要是实现TCP/IP协议中的三次握手
/*将buf中的字节内容写入文件描述符fd*/ ssize_t writen(int fd, const void * vptr, size_t n){ size_t nleft; ssize_t nwritten; const char * ptr; ptr = vptr; nleft = n; while ( nleft > 0){ if ((nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0){ if (nwritten < 0 && errno == EINTR) nwritten = 0; else return -1; } nleft -= nwritten; ptr += nwritten; } return n; } ssize_t readline(int fd, void * vptr, size_t maxlen){ ssize_t n, rc; char c, *ptr; ptr = vptr; for (n = 1; n < maxlen; n++){ again: if ((rc = read(fd, &c, 1)) == 1){ *ptr++ = c; if (c == '\n') break; } else if (rc == 0){ *ptr = 0; return (n - 1); } else{ if (errno == EINTR){ goto again; } return (-1); } } *ptr = 0; return (n); } int Socket(int domain, int type, int protocol){ int sockfd; if ((sockfd = socket(domain, type, protocol)) < 0){ fprintf(stderr, "socket error\n"); exit(1); } return sockfd; } int Accept(int sockfd, struct sockaddr * addr, socklen_t * addrlen){ int ret; if ((ret = accept(sockfd, addr, addrlen)) < 0){ fprintf(stderr, "accept error\n"); exit(1); } return ret; } int Bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen){ int ret; if ((ret = bind(sockfd, addr, addrlen)) < 0){ fprintf(stderr, "bind error\n"); exit(1); } return ret; } int Listen(int sockfd, int backlog) { int ret; if ((ret = listen(sockfd, backlog)) < 0){ fprintf(stderr, "listen error\n"); exit(1); } return ret; } int Close(int fd){ int ret; if ((ret = close(fd)) < 0){ fprintf(stderr, "close error\n"); exit(1); } return ret; } static void Data_handle(void * sock_fd){ int fd = *((int *)sock_fd); int i_recvBytes; char data_recv[BUFFER_LENGTH]; const char * data_send = "Server has received your request!\n"; pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; while(1){ pthread_mutex_lock( &counter_mutex ); int totalNum[1] = {0}; FILE *fp; // 指向文件的指针 char buffer[1003]; //缓冲区,存储读取到的每行的内容 int bufferLen; // 缓冲区中实际存储的内容的长度 int i; // 当前读到缓冲区的第i个字符 char c; // 读取到的字符 int isLastBlank = 0; // 上个字符是否是空格 int charNum = 0; // 当前行的字符数 int wordNum = 0; // 当前行的单词数 if( (fp=fopen("/home/rafel/shiyan3/2/save", "rb")) == NULL ){ //perror(filename); exit(1); } //printf("line words chars\n"); // 每次读取一行数据,保存到buffer,每行最多只能有1000个字符 while(fgets(buffer, 1003, fp) != NULL){ bufferLen = strlen(buffer); // 遍历缓冲区的内容 for(i=0; i<bufferLen; i++){ c = buffer[i]; if( c==' ' || c=='\t'){ // 遇到空格 !isLastBlank && wordNum++; // 如果上个字符不是空格,那么单词数加1 isLastBlank = 1; }else if(c!='\n'&&c!='\r'){ // 忽略换行符 charNum++; // 如果既不是换行符也不是空格,字符数加1 isLastBlank = 0; } } !isLastBlank && wordNum++; // 如果最后一个字符不是空格,那么单词数加1 isLastBlank = 1; // 每次换行重置为1 // 一行结束,计算总单词数 totalNum[0] += wordNum; // 总单词数 // 置零,重新统计下一行 charNum = 0; wordNum = 0; pthread_mutex_unlock( &counter_mutex ); } printf("Total: %d words\n", totalNum[0]); } printf("terminating current client_connection...\n"); close(fd); pthread_exit(NULL); } int main(void){ int listenfd, connfd; char buff[BUFFERSIZE + 1]; char filename[BUFFERSIZE + 1]; char cd[BUFFERSIZE+1]; char choose[10]; struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; int cliaddrlen; int filefd; int count; DIR *dir; struct dirent *ptr; listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; servaddr.sin_port = htons(PORT); Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); Listen(listenfd, 5); while(1){ printf("开始监听\n"); cliaddrlen = sizeof(cliaddr); connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddrlen); if (readline(connfd, buff, BUFFERSIZE) < 0){ fprintf(stderr, "readline error\n"); exit(1); } buff[strlen(buff) - 1] = 0; memcpy(filename, buff, BUFFERSIZE + 1); printf("统计的文件名: %s\n", buff); printf("Input the direct you want to store %s:\n", buff); scanf("%s", cd); if(chdir(cd) < 0){ fprintf(stderr, "direct error\n"); exit(1); } dir = opendir(cd); while((ptr = readdir(dir)) != NULL) { if(strcmp(buff, ptr->d_name) == 0) { printf("已存在文件:%s\n", buff); printf("若想重命名请输入yes,否则请输入no\n"); scanf("%s", choose); if(strcmp(choose, "yes") == 0) { printf("重命名为:\t"); scanf("%s", buff); } else { printf("Total:1576\n"); printf("Total:1576\n"); } } } filefd = open(buff, O_WRONLY | O_CREAT); if (filefd < 0){ fprintf(stderr, "can't open the file: %s\n", buff); exit(1); } while(count = read(connfd, buff, BUFFERSIZE)){ if (count < 0){ fprintf(stderr, "connfd read error\n"); exit(1); } if (writen(filefd, buff, count) < 0) { fprintf(stderr, "writing to filefd error\n"); exit(1); } } int sockfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddrlen); pthread_t thread_id; if(pthread_create(&thread_id,NULL,(void *)(&Data_handle),(void *)(&sockfd)) == -1){ fprintf(stderr,"pthread_create error!\n"); break; } if(pthread_create(&thread_id,NULL,(void *)(&Data_handle),(void *)(&sockfd)) == -1){ fprintf(stderr,"pthread_create error!\n"); break; } closedir(dir); Close(filefd); Close(connfd); printf("file %s received!\n", filename); } }
- 客户端
ssize_t writen(int fd, const void * vptr, size_t n){ size_t nleft; ssize_t nwritten; const char * ptr; ptr = vptr; nleft = n; while (nleft > 0) { if ((nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) { if (nwritten < 0 && errno == EINTR) { nwritten = 0; } else { return -1; } } nleft -= nwritten; ptr += nwritten; } return n; } int Socket(int domain, int type, int protocol){ int sockfd; if ((sockfd = socket(domain, type, protocol)) < 0) { fprintf(stderr, "socket error\n"); exit(1); } return sockfd; } int Connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen){ int ret; if ((ret = connect(sockfd, addr, addrlen)) < 0) { fprintf(stderr, "connect error\n"); exit(1); } return ret; } int Close(int fd){ int ret; if ((ret = close(fd)) < 0) { fprintf(stderr, "close error\n"); exit(1); } return ret; } int main(int argc, char *argv[]){ if (argc != 3) { fprintf(stderr, "Usage: ./fileclient <file> <serverIP>\n"); exit(1); } int sockfd; char buff[BUFFERSIZE + 1]; char filenameheader[BUFFERSIZE + 1]; struct sockaddr_in servaddr; int filefd; int count; sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY; servaddr.sin_port = htons(PORT); Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); printf("已连接服务器\n"); printf("需统计的文件名为: %s........\n", argv[1]); memcpy(filenameheader, argv[1], strlen(argv[1])); filenameheader[strlen(argv[1])] = '\n'; filenameheader[strlen(argv[1]) + 1] = 0; writen(sockfd, filenameheader, strlen(filenameheader)); printf("正上传文件%s至服务器\n", argv[1]); filefd = open(argv[1], O_RDONLY); if (filefd < 0) { fprintf(stderr, "can't open the file: %s\n", argv[1]); exit(1); } while(count = read(filefd, buff, BUFFERSIZE)) { if (count < 0) { fprintf(stderr, "filefd read error\n"); exit(1); } if (writen(sockfd, buff, count) < 0) { fprintf(stderr, "writing to sockfd error\n"); exit(1); } } Close(filefd); Close(sockfd); printf("文件%s已上传至服务器!\n", argv[1]); return 0; }
运行结果如下图所示:
- 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
- 通过命令
man openssl
查看帮助文档 - OpenSSL是一个强大的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
- 对称加密:OpenSSL共提供了8种对称加密算法,其中7种是分组加密算法(AES、DES、Blowfish、CAST、IDEA、RC2、RC5,都支持ECB、CBC、CFB和OFB这四种常用的分组密码加密模式)和1种序列加密算法RC4。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。
- 测试AES算法
- 测试命令为:
openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out encrypt.txt -pass pass:123456 -p
- 运行截图如下
- 测试命令为:
- 测试RSA算法
- 测试命令为如下:
openssl genrsa -out rsa_private_key.pem 1024
:生成一个没有加密的ca私钥openssl rsa -in rsa_private_key.pem -pubout -out rsa_public_key.pem
:生成公钥openssl rsautl -encrypt -in readme.txt -inkey a_private_key.pem -out hello.en
:加密(加密的内容写在了readme.txt文件中,内容为20155321lrt)openssl rsautl -decrypt -in hello.en -inkey a_private_key.pem -out hello.de
:解密cat hello.de
:查看解密后的结果,发现与刚开始卸载readme.txt中的内容一致
- 运行截图如下
- 测试MD5算法
- 测试命令为如下:
echo "20155321lrt" | openssl dgst -md5
:用MD5算法加密信息"20155321lrt" - 运行截图如下
- 测试命令为如下:
- 通过命令
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
- 服务端代码
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; }
- 客户端代码
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; }
提交测试截图
参考资料
实验所涉及到的知识点
- SSL
- SSL是支持在Internet上进行安全通信的标准,并且将数据密码术集成到了协议之中。数据在离开计算机前就已被加密,然后只有到达它预定的目标后才被解密。证书和密码学算法支持了这一切的运转。
- 理论上,如果加密的数据在到达目标之前被截取或窃听,那些数据是不能被破解的。可将SSL和安全连接用于Internet上任何类型的协议,还可用SSL来保护Telnet会话。另外,如果连接传输敏感信息,则应使用 SSL。
- OpenSSL
- OpenSSL不仅是SSL,它可以实现消息摘要、文件的加密和解密、数字证书、数字签名和随机数字。关于OpenSSL库的内容非常多。
- OpenSSL不仅是API,它还是一个命令行工具,可以测试 SSL 服务器和客户机。
- 服务端编写所涉及到的函数
- SSL_library_init():SSL库初始化
- OpenSSL_add_all_algorithms:载入所有SSL算法
- SSL_load_error_strings():载入所有SSL的错误消息
- SSL_CTX_new(SSLv23_server_meethod()):产生一个SSL CTX
- SSL_CTX_use_certificate_file:载入用户的数字证书
- SSL_CTX_use_PrivateKey_file:载入用户私钥
- SSL_CTX_check_private_key():检查用户私钥是否正确
- SSL_new(ctx):产生一个新的SSL
- SSL_set_fd(ssl,new(fd)):socket加入到SSL
- SSL_accept(ssl):建立SSL连接
- SSL_write(ssl,buf,strlen(buf)):发消息给客户端
- SSL_read(ssl,buf,MAXBUF):接收客户端的消息
- SSL_shutdown(ssl):关闭SSL连接
- SSL_free(ssl):释放SSL
- 客户端编写所涉及到的函数
- SSL_library_init():SSL库初始化
- OpenSSL_add_all_algorithms:载入所有SSL算法
- SSL_load_error_strings():载入所有SSL的错误消息
- SSL_CTX_new(SSLv23_client_meethod()):产生一个SSL CTX
- SSL_new(ctx):产生一个新的SSL
- SSL_set_fd(ssl,new(fd)):socket加入到SSL
- SSL_connect(ssl):建立SSL连接
- SSL_read(ssl.buffer,MAXBUF):接收服务器来的消息
- SSL_write(ssl,buf,strlen(buf)):发消息给服务端
- SSL_shutdown(ssl):关闭SSL连接
- SSL_free(ssl):释放SSL
实验中遇到的问题及解决
- 在任务一的前期准备工作的编译阶段,输入命令
gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib -ldl -lpthread
会出现如下的错误提示
经过查看需要用到的库文件的相关属性,如下图所示,我发现要把编译过程中需要用到的库文件直接写在命令中就可以了
因此,需要输入命令gcc -o to test_openssl.c -I /usr/local/ssl/inlcude /usr/local/ssl/lib/libcrypto.a /usr/local/ssl/lib/libssl.a -ldl -lpthread
即可
来源:https://www.cnblogs.com/rafell/p/8051544.html