网络安全传输系统（3）-加密传输

1、介绍

网络传输中有很多加密技术，有DES、AES、RSA、SSL等。我们这里采用OpenSSL的开源加密算法。

SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，利用数据加密技术，可确保数据在网络上之传输过程中不会被截取及窃听。

SSL协议可分为两层： SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。 SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。

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.

它的介绍见：http://blog.csdn.net/u013181595/article/details/73199363

2、OpenSSL移植

下载源代码，解压并进入文件夹，在里面创建_install目录

配置OpenSSL库：

#./config no-asm shared --prefix=${PWD}/_install

no-asm表示在编译过程中不要使用汇编代码加快编译过程

如果在X86上运行不需要修改Makefile，如果在ARM上运行需要修改Makefile：

把cc改成arm-linux-gcc
把ar改成arm-linux-ar
把ranlib改成arm-linux-ranlib

编译和安装：

#make

#make install

如果需要在开发板上运行需要拷贝_install/lib目录下的库文件到开发板上的lib目录下。

3、OpenSSL编程

头文件：

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


在TCP传输文件框架上，增加OpenSSL加密系统，需要遵循如下的编程步骤
客户机：

服务器：

(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，这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

4、编程实例

在编程之前需要产生私钥和公钥

产生私钥：
# openssl genrsa -out privkey.pem 2048

产生公钥：
# openssl req -new -x509 -key privkey.pem -out cacert.pem -days 1095

同时在编译的时候需要用到ssl库，所以需要加上-lssl。

客户机：

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<sys/socket.h>#include<sys/types.h>#include<netinet/in.h>#include <sys/stat.h>#include<errno.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include <openssl/err.h>#include <openssl/ssl.h>#define port 3333char ipaddr[15];int sockfd;struct sockaddr_in sockaddr;SSL_CTX *ctx;//SSL套接字SSL *ssl;void linkS(){//创建socketif((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1){perror("socket");_exit(0);}//连接memset(&sockaddr,0, sizeof(sockaddr));sockaddr.sin_family = AF_INET;sockaddr.sin_port = htons(port);sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ipaddr);if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&sockaddr,sizeof(sockaddr)) == -1){perror("connect");_exit(0);}ssl = SSL_new(ctx);SSL_set_fd(ssl,sockfd);if(SSL_connect(ssl) == -1){printf("SSL connect successful!");}else{printf("SSL connect error!");}}void upload_file(char *filename){int fd;char cmd = 'U';int FileNameSize = strlen(filename);char buf[1024];int count=0;struct stat fstat;//打开文件fd = open(filename,O_RDONLY);//发送命令SSL_write(ssl,&cmd,1);//发送文件名SSL_write(ssl,(void *)&FileNameSize,4);SSL_write(ssl,filename, FileNameSize);//发送文件长度if((stat(filename,&fstat)) == -1)return;SSL_write(ssl,(void *)&fstat.st_size,4);//发送文件数据while((count = read(fd,(void *)buf,1024)) > 0){SSL_write(ssl,buf,count);}//关闭文件close(fd);}void download_file(char *filename){int fd;char cmd = 'D';char buf[1024];int FileNameSize = strlen(filename);int filesize=0,count=0,totalrecv=0;//发送命令SSL_write(ssl,&cmd,1);//发送文件名SSL_write(ssl,(void *)&FileNameSize,4);SSL_write(ssl,filename,FileNameSize);//打开并创建文件if((fd = open(filename,O_RDWR|O_CREAT)) == -1){perror("open:");_exit(0);}//接收数据SSL_read(ssl,&filesize,4);while((count = SSL_read(ssl,(void *)buf,1024)) > 0){write(fd,buf,count);totalrecv += count;if(totalrecv == filesize)break;}//关闭文件close(fd);}void quit(){char cmd = 'Q';//发送命令SSL_write(ssl,(void *)&cmd,1);//关闭及释放SSL连接SSL_shutdown(ssl);SSL_free(ssl);//清屏system("clear");//退出_exit(0);}void menu(){char cmd;char c;char file_u[30];char file_d[30];while(1){printf("\n------------------------------  1.Upload Files  ------------------------------\n");printf("------------------------------  2.Download Files  ------------------------------\n");printf("------------------------------      3.Exit   ------------------------------------\n");printf("Please input the Client command:");cmd = getchar();switch(cmd){case '1':{printf("Upload Files:");//输入文件名while((c = getchar()) != '\n' && c != EOF);fgets(file_u, 30, stdin);file_u[strlen(file_u)-1] = '\0';//上传文件upload_file(file_u);}break;case '2':{printf("Download Files:");//输入文件名while((c = getchar()) != '\n' && c != EOF);fgets(file_d, 30, stdin);file_d[strlen(file_d)-1] = '\0';//下载文件download_file(file_d);}break;case '3':{//退出quit();break;}break;default:{printf("Please input right command!");}break;}}}int main(int argc, char *args[]){if(argc != 2){printf("format error: you mast enter ipaddr like this : client 192.168.0.6\n");    _exit(0);}strcpy(ipaddr,args[1]);//初始化SSlSSL_library_init();OpenSSL_add_all_algorithms();SSL_load_error_strings();ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());//创建SSL套接字，参数表明支持版本和客户机if(ctx == NULL){printf("Creat CTX error!!!");}//建立连接linkS();//打印菜单menu();//结尾操作close(sockfd);//释放CTXSSL_CTX_free(ctx);return 0;}

服务器：

#include<stdio.h>#include<string.h>#include<sys/socket.h>#include<sys/types.h>#include<netinet/in.h>#include<errno.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include <openssl/err.h>#include <openssl/ssl.h>#define port 3333int sockfd,newfd;struct sockaddr_in sockaddr;struct sockaddr_in client_addr;int sin_size;SSL_CTX *ctx;SSL *ssl;void handle(char cmd){char filename[30]={0};int FileNameSize=0;int fd;int filesize=0;int count=0,totalrecv=0;char buf[1024];struct stat fstat;switch(cmd){case 'U':{//接收文件名SSL_read(ssl, &FileNameSize, 4);SSL_read(ssl, (void *)filename, FileNameSize);filename[FileNameSize]='\0';//创建文件if((fd = open(filename,O_RDWR|O_CREAT)) == -1){perror("creat:");_exit(0);}//接收文件长度SSL_read(ssl, &filesize, 4);//接收文件while((count = SSL_read(ssl,(void *)buf,1024)) > 0){write(fd,&buf,count);totalrecv += count;if(totalrecv == filesize)break;}//关闭文件close(fd);}break;case 'D':{//接收文件名SSL_read(ssl, &FileNameSize, 4);SSL_read(ssl, filename, FileNameSize);filename[FileNameSize]='\0';//打开文件if((fd = open(filename,O_RDONLY)) == -1){perror("creat:");_exit(0);}//发送文件包括文件长度if((stat(filename,&fstat)) == -1)return;SSL_write(ssl,&fstat.st_size,4);while((count = read(fd,(void *)buf,1024)) > 0){SSL_write(ssl,&buf,count);}close(fd);}break;}}int main(){char cmd;//建立连接//SSL连接SSL_library_init();OpenSSL_add_all_algorithms();SSL_load_error_strings();ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());//载入数字证书SSL_CTX_use_certificate_file(ctx,"./cacert.pem",SSL_FILETYPE_PEM);//载入并检查私钥SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx,"./privkey.pem",SSL_FILETYPE_PEM);SSL_CTX_check_private_key(ctx);//创建socketif((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) == -1){perror("socket:");_exit(0);}memset(&sockaddr,0, sizeof(sockaddr));sockaddr.sin_family = AF_INET;sockaddr.sin_port = htons(port);sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//绑定地址if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)&sockaddr,sizeof(sockaddr)) == -1){perror("bind:");_exit(0);}//监听if(listen(sockfd,10) == -1){perror("listen");}while(1){//连接if((newfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)(&client_addr),&sin_size)) == -1){perror("accept:");_exit(0);}ssl = SSL_new(ctx);//产生新的SSLSSL_set_fd(ssl,newfd);SSL_accept(ssl);//处理事件while(1){SSL_read(ssl,&cmd,1);if(cmd == 'Q'){break;}else{handle(cmd);}}SSL_shutdown(ssl);SSL_free(ssl);close(newfd);}close(sockfd);SSL_CTX_free(ctx);return 0;}