基于SSL协议的安全网络通信程序

 基于SSL协议的安全网络通信程序

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目录结构：

1. SSL理解
1.1 SSL的优点
1.2 SSL密文会话的安全机制
1.3 SSL工作过程
（1） SSL分层结构
（2） SSL握手过程
（3） 利用Wireshark分析SSL工作过程
2. X.509证书相关文件的生成
3. 实现SSL服务器和客户端

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1. SSL理解

1.1 SSL的优点

(1)提供较高的安全性保证。SSL利用数据加密、身份验证和消息完整性验证机制,保证数据传输的安全性。

(2)支持各种应用层协议。虽然SSL设计的初衷是为了解决Web安全性问题,但是由于SSL位于应用层和传输层之间,它可以为任何基于TCP等可靠连接的应用层协议提供安全性保证。

(3)部署简单。目前SSL己经成为网络中用来鉴别网站和网页浏览者身份,在客户端浏览器和Web服务器之间进行密文数据通信的全球化标准。SSL协议已被集成到大部分的浏览器中,如IE、Netscape、Firefox等。这就意味着几乎任意一台装有浏览器的计算机都支持SSL连接,不需要安装额外的客户端软件。

1.2 SSL密文会话的安全机制

(1)数据加密传输:数据需要加密后再进行传输,加密解密算法为对称密钥算法。

(2)身份验证:建立链接时需要对各通信对端进行身份验证,身份验证利用证书和数字签名技术,其中客户端的验证是可选的。

(3)消息完整性验证:消息传输过程中使用MAC算法来检验消息的完整性。

l 数据加密传输

与非对称密钥体制相比,对称密钥体制具有计算速度快的优点,通常用于对大量数据进行加密(如对整个数据流加密);而非对称密钥体制,一般用于数字签名和对少量的信息进行加密。SSL加密管道上的数据加解密使用对称密钥体制,目前主要支持的算法有DES、 3DES、 AES等,这些算法都可以有效地防止传输的数据被窃听。

l  身份验证

电子商务和网上银行等Web应用中必须保证客户要登录的Web服务器是真实的,以免重要信息被非法窃取。SSL安全协议利用数字签名来进行通信对端的身份验证。非对称密钥体制可以用来实现数字签名。由于通过私钥加密后的数据只能利用对应的公钥进行解密,因此根据解密是否成功,就可以判断发送者的身份,如同发送者对数据进行了 "签名"。

SSL客户端必须验证SSL服务器的身份,SSL服务器是否验证SSL客户端的身份,则由SSL服务器决定。使用数字签名验证身份时,需要确保被验证端的公钥是真实的,否则,非法用户可能会冒充被验证端与验证端通信。

l  消息完整性验证

为了避免网络中传输的数据被非法篡改,SSL利用基于MD5或SHA的MAC(消息认证码)算法来保证消息的完整性。

MAC算法要求通信双方具有相同的密钥,否则MAC值附件验证将会失败。因此,利用MAC算法验证消息完整性之前,需要在数据通信的双方部署相同的密钥。

l  利用非对称密钥算法保证密钥本身的安全

SSL利用非对称密钥体制加密密钥的方法來实现密钥交换,保证非授权的第三方无法获取相应的密钥。

利用非对称密钥算法加密对称密钥之前,Alice需要获取Bob的公钥,并保证该公钥确实属于Bob,否则,密钥可能会被未授权的非法用户窃取。SSL利用PKI提供的机制保证公钥的真实性。

l  PKI保证公钥的真实性

数字证书(简称证书)是一个包含用户的公钥及其身份信息的文件,证明了客户与公钥的关联。数字证书由权威机构(CA)签发,并由CA保证数字证书的真实性。

验证SSL服务器/SSL客户端的身份之前,SSL服务器和SSL客户端需要将从CA获取的证书发送给通信对端,对端通过PKI判断该证书的真实性。如果该证书确实属于SSL服务器和SSL客户端,则通信对端利用该证书中的公钥验证SSL服务器和SSL客户端的身份。

1.3 SSL工作过程

（1） SSL分层结构

 

（2） SSL握手过程

SSL握手协议是SSL协议中最复杂的协议。SSL通过握手过程在客户端和服务器之间协商会话参数,并建立会话。会话包含的主要参数有会话ID、对方的证书、加密套件(密钥交换算法、数据加密算法和MAC算法等)以及主密钥(mastersecret)。通过SSL会话传输的数据,都将采用此次会话的主密钥和加密套件进行加密、计算MAC值等。

SSL握手协议由一系列报文组成,根据功能基本上可以分为四个阶段:

1)      第一阶段是建立安全能力。

2)      第二阶段是服务器鉴别和密钥交换。

3)      第三个阶段是客户鉴别和密钥交换。

4)      第四个阶段是完成握手阶段。

（3）利用Wireshark分析SSL工作过程

1.handshake--client hello

注释:

ECC算法和DH结合使用，用于密钥磋商，这个密钥交换算法称为ECDH。

使用RC4加密体制算法对通信数据加密(密钥长度128位)

使用SHA哈希算法进行消息完整性验证

使用RSA公钥体制算法进行证书验证和对称密钥交换

【既然密钥交换算法有很多种（RSA 和DH）那SSL握手期间用哪种呢，这个就是之前由选择的ciphersuit决定的，比如选择的是SSL_RSA_WITH_RC4_128_MD5 = 0x0004，那就是RSA的密钥交换算法即用非对称加密对称将密钥传送到对方，若选择的是SSL_DHE_RSA_EXPORT….那就使用DH交换算法】

2.handshake--server hello

3.S—>C handshake—certificate 服务器端向客户端发送服务器证书

【Certificate（可选）：服务器发一个证书或一个证书链到客户端，证书链开始于服务器公共钥匙并结束于证明权威的根证书。该证书用于向客户端确认服务器的身份，该消息是可选的。如果配置服务器的SSL需要验证服务器的身份，会发送该消息。多数电子商务应用都需要服务器端身份验证。】

4.S-->Chandshake—sever key exchange   handshake—sever hello done 

服务器发送公钥和签名信息

【如果服务器发送的公共密钥对加密密钥的交换不是很合适，则发送一个服务器密钥交换消息。即和客户端协商密钥。】

RSA方式密钥交换消息则把消息中的加密用公钥放入会话缓存中，作为客户端这边握手阶段的写密钥而不是用服务器证书中的公钥。

DH 方式的消息就把消息中的 p,g,Ys三个参数（ECDH密钥交换情况下是G和A）记录下来，有这些 client端就可以计算出 pre-master了，只要回头再把自己这边的Yc参数发过去， server端就也能计算出相同的 pre-maseter了。

为了防止消息被恶意篡改，Server Key exchange消息中还要包含一个对密钥参数（pubKey）的签名(Signature)。

(1)serverkey exchange Pubkey  signature

(2)Server hello done

5.C->S  handshake—clientkey exchange

客户端产生一个会话密钥与服务器共享。在SSL握手协议完成后，客户端与服务器端通信信息的加密就会使用该会话密钥。如果使用RSA加密算法，客户端将使用服务器的公钥将会话密钥之后再发送给服务器。服务器使用自己的私钥对接收的消息进行解密得到共享的会话密钥。

若是 RSA 方式密钥交换，则产生一个 48 位随机数作为 pre-master 并用服务器公钥加密后发出去若是 DH 方式的密钥交换，则根据 sever 的 g,p,Ys ，产生 Xa 和 Yc ， Xa 和 Ys 能计算出 pre-master ，把产生的 Yc 放入消息中发给server ，这样 server 用它的 Xb 和 Yc 也能计算出 pre-master 了。计算出预主密码后就顺便把主密码 (master secret) 给算出来了。算出主密码就把对称密钥产生出来了（预主要密码à主密码à对称密钥）

clientkey exchange, change cipher spec ,encrypted handshakemessage

【Change cipher spec：客户端要求服务器在后续的通信中使用加密模式】

6.S->C handshake—new session ticket

New session ticket,change cipher spec,encrypted handshake message

【Change cipher spec：服务器要求客户端在后续的通信中使用加密模式】

“session Ticket”（RFC 5077）取代机制被引入，目标是消除服务器需要维护每个客户端的会话状态缓存的要求。相反，如果客户指示它支持Session Ticket，在TLS握手的最后一步中服务器将包含一个“NewSession Ticket”信息，包含了一个加密通信所需要的信息，这些数据采用一个只有服务器知道的密钥进行加密。

【引：http://cache.baiducontent.com/cm=9f65cb4a8c8507ed4fece763105392230e54f7257b8c8148228a8448e435061e5a35a3fd7c734e5392d8781f79fb3e18feb56b32610c7ce0dedf883b9cecd36974d57b23706dc01a438a4ee9&p=b47ac64ad4af5ae508e297790a4d82&newp=8b2a971a818c11a05bea936213528c231610db2151d7d5122083dc&user=baidu&fm=sc&query=New+session+ticket&qid=&p1=5

】

以上1-6步，握手完成。下面开始客户端和服务器端开始传输加密信息。

7.C-->S 传送正式数据

【淘宝网登陆页面SSL连接建立分析】

42.156.196.14 https://login.taobao.com/member/login.jhtml

（1）C-->S  client hello

（2）S-->C server hello

     Ciphersuite:TLS_RSA_WITH_RC4_128_SHA

（3）S-->C certificate 证书链

（4）C-->S Client Key Exchange

    RSA Encrypted Secret

（5）C-->S New Session Ticket

2. X.509证书相关文件的生成

【参考：基于X.509证书和SSL协议的身份认证过程实现http://h2appy.blog.51cto.com/609721/1181234】

生成数字证书相关文件的步骤：

1.生成服务器端的私钥(key文件)，执行命令

openssl genrsa -des3 -out server.key1024   

Enter pass phrase for server.key:123456

2.生成服务器端的csr文件

openssl req -new -key server.key -outserver.csr -config openssl.cnf 

===拷贝 openssl\apps 下的openssl.cnf文档到out32dll目录下，就可以使用 Openssl了。

Enter pass phrase for server.key:123456

A challenge password:147258

3.客户端生成key文件

openssl genrsa -des3 -out client.key1024    

Enter pass phrase for client.key:123456

4.生成客户端的csr文件

openssl req -new -key client.key -outclient.csr -config openssl.cnf

Enter pass phrase for client.key:123456

A challenge password:147258

5.生成自己的CA

 openssl req -new -x509 -keyout ca.key -outca.crt -config openssl.cnf

Enter PEM pass phrase:123456

生成ca.key和ca.crt证书文件

6.用生成的ca给服务器的csr文件签名，生成服务器端的证书

openssl ca -in server.csr -out server.crt-cert ca.crt -keyfile ca.key -config openssl.cnf

===将apps目录下的demoCA目录以及根目录下的crypto目录复制到out32dll目录下；并在demoCA目录下新建文件夹newcerts.

Enter pass phrase for ca.key:123456

7.用生成的ca给客户端的csr文件签名，生成客户端的证书

openssl ca -in client.csr -out client.crt-cert ca.crt -keyfile ca.key -config openssl.cnf

===清空index.txt文件内容后正常生成

Enter pass phrase for ca.key:123456

生成的相关文件如下图所示：

3. 实现SSL服务器和客户端

对于上面的证书生成过程中，SSL服务器和客户端中所需要使用的只有五个文件，分别是ca.crt，client.crt，client.key，server.crt和server.key。

客户端需要ca.crt，client.crt，client.key这三个文件，

服务器端需要ca.crt，server.crt，server.key这三个文件。

源代码：

 SSL Server端：

//
#include "openssl/rsa.h" 
#include "openssl/crypto.h"
#include "openssl/x509.h"
#include "openssl/pem.h"
#include "openssl/ssl.h"
#include "openssl/err.h"
#include "openssl/rand.h"
#include 

using namespace std;

#pragma comment(lib, "libeay32.lib")
#pragma comment(lib, "ssleay32.lib")

/*所有需要的参数信息都在此处以#define的形式提供*/

#define CERTF "D:\\openssl-1.0.1e\\out32dll\\server.crt" /*客户端的证书(需经CA签名)*/
#define KEYF "D:\\openssl-1.0.1e\\out32dll\\server.key" /*客户端的私钥(建议加密存储)*/
#define CACERT "D:\\openssl-1.0.1e\\out32dll\\ca.crt" /*CA 的证书*/
#define PORT 7758 /*服务端的端口*/

#define CHK_NULL(x) if ((x)==NULL) { printf("null\n"); }
#define MAXLEN 4096	

int main ()
{
	int err;

	int ListenSock;//监听套接字
	int ConnectSock;//连接套接字
	
	SSL_CTX* ctx;
	SSL* ssl;
	X509* client_cert;
//	char* str;
	char buf [MAXLEN] = {0};
//	char szMsg[4096] = {0}; 
	//SSL_METHOD *meth;

	WSADATA wsaData;
	system("title SSL_SERVER");
	system("color 0a");
	if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData) != 0){
		printf("WSAStartup()fail:%d\n",GetLastError());
		return -1;
	} 
	

	OpenSSL_add_ssl_algorithms(); /*初始化*/
	SSL_load_error_strings(); /*为打印调试信息作准备*/

	//注意这里是server和和客户端不同
	//meth=TLSv1_server_method();
	ctx = SSL_CTX_new (TLSv1_server_method()); //采用什么协议(SSLv2/SSLv3/TLSv1)在此指定
	CHK_NULL(ctx);

	SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER,NULL); /*验证与否*/
	SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CACERT,NULL); /*若验证,则放置CA证书*/


	if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, CERTF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) 
	{
		cout<<"服务器端证书检查失败！"<

SSL Client 端：

//
#include "openssl/rsa.h" 
#include "openssl/crypto.h"
#include "openssl/x509.h"
#include "openssl/pem.h"
#include "openssl/ssl.h"
#include "openssl/err.h"
#include "openssl/rand.h"
#include 
using namespace std;

#pragma comment(lib, "libeay32.lib")
#pragma comment(lib, "ssleay32.lib")

/*所有需要的参数信息都在此处以#define的形式提供*/

#define CERTF "D:\\openssl-1.0.1e\\out32dll\\client.crt" /*客户端的证书(需经CA签名)*/
#define KEYF "D:\\openssl-1.0.1e\\out32dll\\client.key" /*客户端的私钥(建议加密存储)*/
#define CACERT "D:\\openssl-1.0.1e\\out32dll\\ca.crt" /*CA 的证书*/
#define PORT 7758 /*服务端的端口*/
#define CHK_NULL(x) if ((x)==NULL) { printf("null\n"); }
#define MAXLEN 4096

int main ()
{
	int err;
	int sd;

	struct sockaddr_in sa;
	SSL_CTX* ctx;
	SSL* ssl;
	X509* server_cert;
//	char* str;
	char buf [MAXLEN] = {0};
//	char szMsg[MAXLEN] = {0}; 
	//SSL_METHOD *meth;
	//int seed_int[100]; /*存放随机序列*/

	WSADATA wsaData;

	if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData) != 0){
		printf("WSAStartup()fail:%d\n",GetLastError());
		return -1;
	} 
	system("title SSL_CLIENT");
	system("color 0a");
	OpenSSL_add_ssl_algorithms(); /*1.SSL初始化*/
	SSL_load_error_strings(); /*2.SSL错误信息初始化 为打印调试信息作准备*/

	//注意这里是client和和服务器不同
	ctx = SSL_CTX_new (TLSv1_client_method()); //3.创建本次会话所使用的协议（TLSv1）; 4.申请SSL会话的环境
	CHK_NULL(ctx);
	//SSL_VERIFY_PEER:希望验证对方的证书
	SSL_CTX_set_verify(ctx,SSL_VERIFY_PEER,NULL); /*验证与否*/  //5.设置会话的握手方式
	SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,CACERT,NULL); /*若验证,则放置CA证书*/  //6.并加载CA证书


	if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, CERTF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) //7.加载自己（客户端）的整数
	{
		cout << "客户端证书检查失败！" << endl;
		exit(0);
	}
	if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, KEYF, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) //8.加载客户端的私钥
	{
		cout << "客户端key检查失败！" << endl;
		system("pause");
		exit(0);
	}
	else
	{
		cout<<"客户端证key检查成功！"<h_addr_list[0],pHost->h_length);
	else
		exit(0);*/

	sa.sin_addr.s_addr = inet_addr ("127.0.0.1"); 
//	sa.sin_addr.s_addr = inet_addr ("192.168.146.1"); 

	sa.sin_port = htons (PORT); /* Server Port number *///SERVER PORT

	//TCP连接  等待服务器的响应
	cout<<"等待连接中..."<5)
		{
			cout<<"TCP 连接超时..."<

运行结果示例：