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1、第三章 密码技术基础分组作业- 客户和服务器端的安全通信功能第七组赵鹏 p-田敏求卓雪君 张秋艳 zhang-宋晓明 1目录1.作业要求.32.作业分工.33.程序设计原理.33.1通信协议设计.33.2技术原理.44.技术细节.64.1申请证书.64.2双向身份认证.84.3协商会话密钥.94.4生成摘要.94.5加解密文件.94.6完整性验证.105实验演示.10 参考文献.16 21. 作业要求实现客户和服务器端的安全通信功能，其中包括:(1) 基于公钥证书，实现双向的身份认证(2) 会话密钥协商（算法自选）(3) 数据传输：加密、完整性保护（算法自选）(4) 简明的设计文档图 1.1
2、协议流程图2. 作业分工赵鹏: 认证, 会话密钥协商, 代码整合田敏求: 数据加解密卓雪君 张秋艳: 通信部分, 摘要生成, 完整性验证, 界面,代码整合 宋晓明: 文档3. 程序设计原理3.1 通信协议设计整个通信过程包括了：证书申请、双向身份验证、会话密钥协商、传送/接收加密文件、文件完整性校验五大部分。具体协议设计如图3.1所示。 3图3.1 C/S通信协议图图中一些符号注释如下：KS_PUBLIC：服务器公钥KS_PRIVATE：服务器私钥KC_PUBLIC：客户端公钥KC_PRIVATE：客户端私钥n1, n2：随机数，用来防止重放攻击K：会话密钥Seed：生成会话密钥的种子M：发送
3、的明文文件m：明文文件对应的摘要其中证书采用离线拷贝的方式，保证通信双方在建立连接前已经拥有对方的证书。在双向身份验证的过程中采用生成随机数的方式防止了重放攻击。协商会话密钥的过程中传送的是经过加密的生成会话密钥的种子。传送文件时，在文件末尾附上了用MD5生成的文件摘要，方便接收方进行文件的完整性验证。3.2 技术原理(1) Openssl简介SSL是Secure Socket Layer（安全套接层协议）的缩写，目标是保证两个应用间通信的保密性和可靠性,可在服务器端和用户端同时实现支持。改协议能使用户/服务器应用之间的通信不被攻击者窃听，并且始终对服务器进行认证，还可选择对用户进行认证。Op
4、enssl是一个功能丰富且自包含的开源安全工具箱。它提供的主要功能有：SSL协议实现(包括SSLv2、SSLv3和TLSv1)、大量软算法(对称/非对称/摘要)、大数运算、非对称算法密钥生成、ASN.1编解码库、证书请求(PKCS10)编解码、数字证书编解码、CRL编解码、OCSP协议、数字证书验证、PKCS7标准实现和PKCS12个人数字证书格式实现等功能。Openssl采用C语言作为开发语言，这使得它具有优秀的跨平台性能。Openssl支持Linux、UNIX、windows、Mac等平台。openssl目前最新的版本是0.9.8e. OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分
5、：密码算法库、SSL协议库以及应用程序。OpenSSL的目录结构自然也是围绕这三个功能部分进行规划的。(2) CryptoAPI简介微软的CryptoAPI是PKI推荐使用的加密 API。其功能是为应用程序开发者提供在Win32环境下使用加密、验证等安全服务时的标准加密接口。CryptoAPI处于应用程序和CSP（cryptographic service provider）之间，如图3.2所示。图3.2 Microsoft CryptoAPICryptoAPI的编程模型同Windows系统的图形设备接口 GDI比较类似，其中加密服务提供者CSP等同于图形设备驱动程序 ，加密硬件（可选）等同于
6、图形硬件，其上层的应用程序也类似，都不需要同设备驱动程序和硬件直接打交道。 CryptoAPI共有五部分组成：简单消息函数（Simplified Message Functions）、低层消息函数（Low-level Message Functions）、基本加密函数（Base Cryptographic Functions）、证书编解码函数（Certificate Encode/Decode Functions）和证书库管理函数（Certificate Store Functions）。其中前三者可用于对敏感信息进行加密或签名处理，可保证网络传输信心的私有性；后两者通过对证书的使用，可保证网
7、络信息交流中的认证性。5CryptoAPI可以从保密和确证这两方面来保证安全通信。CryptoAPI系统有四类函数:基本Cryptographic函数、简化Cryptographic函数、存储函数和验证加密/解密函数,前两类函数提供保密性,后两类函数提供确证。CryptoAPI允许调用这些函数来加密数据、交换公钥、散列一个消息来建立摘要以及生成数字签名。CryptoAPI使用两种密钥:会话密钥与公钥/私钥对。会话密钥采用单钥密码体制,效率高,但必须保证密钥的安全传递。公钥/私钥算法较慢,主要用于身份的认证以及用于加密少量数据,例如用于加密会话密钥。Microsoft CryptoAPI体系结构
8、如图3.3所示：图 3.3 Microsoft CryptoAPI体系结构4.技术细节4.1 申请证书主要通过openssl的命令来手工生成证书，主要过程为：(1) 生成RSA密钥对：Openssl genrsa -out prikey.pem 10246(2) 利用密钥对生成证书请求：Openssl req new key prikey.pem out req.pem(3) 利用openssl自带的ca来给证书请求签名Openssl ca in req.pem out cert.pem notext参数notext的作用是生成的证书中不带明文的生成过程。 利用同样的步骤生成client.pe
9、m,server.pem和各自相应的私钥文件prikeyclient.pem, prikeyserver.pem4.2 双向身份认证假设通信双方为A，B，在通信之前都拿到了对方的证书。那么验证过程为：(1) 生成一个随机的字符串m(2) sha1(m), 利用hash算法对m做sha1计算(3) 利用A自己的私钥对sha1(m)加密，完成签名Asha1(m)(4) 利用B的公钥来对m进行加密，B，然后和第3步完成的内容一起发送给B(5) B利用自己的私钥对B进行解密，同时利用A的公钥对Asha1(m)解密，然后比较内容是否相同。(6) 在B端重复(1)-(5)的步骤。4.3协商会话密钥由A端生
10、成一个随机的字符串，用这个字符串作为对称密钥生成的种子。然后将这个字符串用B的公钥进行加密然后传输给B。B接收到后利用自己的私钥进行解密，得到种子字符串。双方都利用这个种子字符串来生成对称加密密钥。4.4 生成摘要首先获得指定CSP密钥容器句柄，然后创建一个空哈希对象，并将指定的文件加到指定的哈希对象，进行哈希。这样就实现了对一个不定长度的文件生成摘要的过程，摘要长度为128Bit。4.5 加解密文件(1) 文件加密步骤 打开源文件File.txt 取得密钥容器（CSP）句柄 根据用户输入的密码创建一个会话密钥，即应用对称密钥对原文件加密。i.ii.iii.iv. 创建一个Hash对象 用用户
11、输入的密码产生一个散列 通过散列生成一个会话密钥 销毁Hash对象 非对称密钥由于效率非常低，所以一般不用于对数据直接加密，而是对会话密钥进行加密，然后把它传送给对方。对方通过非对称密钥解密获得会话密钥(即对称密钥)，然后再对数据文件进行解密。 加密数据文件i. pbBuffer循环读入待加密文件的固定长度的内存块；如果一次读入整个文件，那样会很浪费内存空间，而且影响扩展性，即存在缓冲区溢出的可能。 清理回收工作i. 释放内存缓冲区空间、密钥句柄、CSP句柄等。(2) 文件解密步骤打开加密文件EnctyptedFile.txt取得密钥容器（CSP）句柄根据用户输入的密码创建一个会话密钥，即应用对称密钥对原文件解密。实际应用中，这个用户输入的“密码”是一个产生密钥的种子，一旦产
