通信安全之数据加密

        数据安全的需求如今越来越重要，本篇简单举例给日常的TCP/UDP通信加密，至少能让想干坏事的崽犯罪的成本更高一些（如果会一些BPF的，可能难不住这些崽），能让我们的数据更安全一点。

经典TCP socket编程

下面为大家常见的TCP socket编程示例：

客户端
/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>  
#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <errno.h>
//#include "myssl.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
	// 定义相关变量
	int sockfd;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char buf[1024] = {0};
	const char *greeting = "Hello from client";
	
	if(argc < 2)
	{
		printf("please input the ip of the server..\n");
		return -1;
	}
	
	//获取并初始化服务端地址
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(8080);
	
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &serv_addr.sin_addr) <= 0)
	{
		fprintf(stderr, "inet_pton failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 创建socket
	if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "create socket failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 连接到服务器
	if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "connect failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 发送数据
	if(write(sockfd, greeting, strlen(greeting)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "write failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 接收数据
	if(read(sockfd, buf, 1024) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "read failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	printf("received message:%s\n", buf);
	
	close(sockfd);
}
服务端
/* server.c */
#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>  
#include <netinet/in.h>
#include <errno.h>
//#include "myssl.h"

#define MAX_CNT 5

int main(int argc, char *argv[])
{
	// 定义相关变量
	int server_fd, new_socket;
    int opt = 1; 
	struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
	socklen_t cli_addr_len;
	char buf[1024] = {0};
	const char *greeting = "Hello from server";
	
	// 创建socket文件描述符
	if((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "create socket failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}

    // 设置socket选项
	if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) 
	{  
        fprintf(stderr, "set socket failed[%d].\n", errno);
		return -1;  
    }
	
	// 绑定socket到指定端口和地址
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	serv_addr.sin_port = htons(8080);
	
	if(bind(server_fd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "create bind failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 监听
	if(listen(server_fd, MAX_CNT) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "listen failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 接受客户端连接请求
	memset(&cli_addr, 0, sizeof(cli_addr));
	cli_addr_len = sizeof(cli_addr);
	if((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&cli_addr, (socklen_t *)&cli_addr_len)) < 0 )
	{
		fprintf(stderr, "accept failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}

	printf("Client [%s-%d] connected.\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port));
	
	// 接收数据
	if(read(new_socket, buf, 1024) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "read failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	printf("received message:%s\n", buf);
	
	// 发送数据
	if(write(new_socket, greeting, strlen(greeting)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "write failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 关闭socket
	close(new_socket);
	close(server_fd);
	
	printf("server closed.\n");
	return 0;
}

开启两个终端，运行结果如下：

数据加密方式TCP socket编程

封装加密初始化程序

        我们创建两个文件，一个为myssl.h，一个为对应的实现文件myssl.c,如下：

/* myssl.h */

#ifndef __MYSSL_H_
#define __MYSSL_H_

#include <openssl/ssl.h>

typedef enum{
	SSL_MODE_SERVER,
	SSL_MODE_CLIENT
}SSL_MODE;//对象方法枚举

SSL *init_ssl(char *cert_path, char *key_path, SSL_MODE mode, int fd);//初始化函数

#endif
/* myssl.c */
#include <openssl/ssl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "myssl.h"

SSL *init_ssl(char * cert_path, char * key_path, SSL_MODE mode, int fd)
{
    // 声明套件变量
	const SSL_METHOD *method;
	SSL_CTX *ctx;
	SSL *ssl = NULL;

    // 添加支持的算法，加载错误信息
	OpenSSL_add_all_algorithms();
	SSL_load_error_strings();

    // 获取对象方法
    // 不同版本的openssl对应的API也是有区别的，需要注意
	if(mode == SSL_MODE_SERVER)
	{
		method = SSLv23_server_method();
	}
	else if(mode == SSL_MODE_CLIENT)
	{
		method = SSLv23_client_method();
	}
	else
	{
		printf("unkown method\n");
		return NULL;
	}

    // 创建CTX
	ctx = SSL_CTX_new(method);
	if(!ctx)
	{
		printf("create SSL CTX failed.\n");
		return NULL;
	}

    // 读取证书（公钥）和密钥（私钥）
	if((SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, cert_path, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0)||
		(SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, key_path, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0))
	{
		printf("not found file\n");
		return NULL;
	}

    // 创建SSL
	ssl = SSL_new(ctx);
	if(!ssl)
	{
		printf("failed create SSL.\n");
		return NULL;
	}

    // 绑定套接字的文件描述符到SSL中
	if(SSL_set_fd(ssl, fd) == 0)
	{
		printf("SSL set fd failed.\n");
		return NULL;
	}

    // 连接套接字
	if((mode == SSL_MODE_SERVER && SSL_connect(ssl) <= 0)||
		(mode == SSL_MODE_CLIENT && SSL_connect(ssl) <= 0))
	{
		printf("failed handshake with ssl.\n");
		return NULL;
	}

	return ssl;
}

 修改经典socket编程代码

        我们来对上面的客户端和服务端程序做些修改，以期使得变成加密的套接字通信。

客户端
/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>  
#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <errno.h>
#include "myssl.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
	// 定义相关变量
	int sockfd;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char buf[1024] = {0};
	const char *greeting = "Hello from client";
	
	if(argc < 2)
	{
		printf("please input the ip of the server..\n");
		return -1;
	}
	
	//获取并初始化服务端地址
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(8080);
	
	if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &serv_addr.sin_addr) <= 0)
	{
		fprintf(stderr, "inet_pton failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 创建socket
	if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "create socket failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 连接到服务器
	if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "connect failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 初始化加密函数
	SSL *ssl = init_ssl("./cert.pem", "./key.pem", SSL_MODE_CLIENT, sockfd);
	
	// 发送数据
	if(SSL_write(ssl, greeting, strlen(greeting)) < 0)	//if(write(sockfd, greeting, strlen(greeting)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "write failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 接收数据
	if(SSL_read(ssl, buf, 1024) < 0) //if(read(sockfd, buf, 1024) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "read failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	printf("received message:%s\n", buf);
	
	close(sockfd);
	
	SSL_shutdown(ssl);
	SSL_free(ssl);
}
服务端
/* server.c */

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>  
#include <netinet/in.h>
#include <errno.h>
//#include "myssl.h"

#define MAX_CNT 5

int main(int argc, char *argv[])
{
	// 定义相关变量
	int server_fd, new_socket;
	int opt = 1;
	struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
	socklen_t cli_addr_len;
	char buf[1024] = {0};
	const char *greeting = "Hello from server";
	
	// 创建socket文件描述符
	if((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "create socket failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 设置socket选项
	if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) 
	{  
        fprintf(stderr, "set socket failed[%d].\n", errno);
		return -1;  
    } 
	
	// 绑定socket到指定端口和地址
	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	serv_addr.sin_port = htons(8080);
	
	if(bind(server_fd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "create bind failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 监听
	if(listen(server_fd, MAX_CNT) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "listen failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 接受客户端连接请求
	memset(&cli_addr, 0, sizeof(cli_addr));
	cli_addr_len = sizeof(cli_addr);
	if((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&cli_addr, (socklen_t *)&cli_addr_len)) < 0 )
	{
		fprintf(stderr, "accept failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}		

	printf("Client [%s-%d] connected.\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port));
	
	// 初始化加密函数
	SSL *ssl = init_ssl("./cert.pem", "./key.pem", SSL_MODE_SERVER, new_socket);
	
	// 接收数据
	if(SSL_read(ssl, buf, 1024) < 0) //if(read(new_socket, buf, 1024) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "read failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	printf("received message:%s\n", buf);
	
	// 发送数据
	if(SSL_write(ssl, greeting, strlen(greeting)) < 0) //if(write(new_socket, greeting, strlen(greeting)) < 0)
	{
		fprintf(stderr, "write failed[%d].\n", errno);
		return -1;
	}
	
	// 关闭socket
	close(new_socket);
	close(server_fd);
	
	SSL_shutdown(ssl);
	SSL_free(ssl);
	
	printf("server closed.\n");
	return 0;
}
Makefile

        为了方便总体编译，我们创建一个Makefile,内容如下：

LIBS=-lssl -lcrypto
all:
	gcc -o server server.c myssl.c $(LIBS)
	gcc -o client client.c myssl.c $(LIBS)
clean:
	rm -rf server client
证书、密钥

        为方便测试，我们利用openssl生成密钥key.pem及公钥文件cert.pem，命令如下：

密钥

$openssl genpkey -algorithm RSA -out key.pem

公钥(利用密钥生成，生成之前需要根据提示输入一些地址公司等信息)

$sudo openssl req -new -x509 -key key.pem -out cert.pem -days 3650

注意openssl的版本程序中用到的和命令行的这个要保持一致，结果如下：

编译问题

        在终端执行make命令，如果出现找不到<openssl/ssl.h>，那么你的系统环境可能没有安装openssl开发库，我们可以通过下面命令安装：

sudo apt-get update  
sudo apt-get install libssl-dev

安装完毕后，<openssl/ssl.h>应该可以在/usr/include/openssl/目录中找到。

如果安装成功之后还是报找不到头文件的错误，通过下面命令检查定位头文件所在位置：

dpkg -L libssl-dev | grep ssl.h

如果你确定环境中有这个头文件而其他方法都不行的话，可以试试手动添加路径指定，如下：

gcc -o myprogram myprogram.c -I/usr/include/openssl -lssl -lcrypto

如果方法都试遍了，我们只能尝试卸掉重新安装。

sudo apt-get remove --purge libssl-dev  
sudo apt-get update  
sudo apt-get install libssl-dev

如果报找不到openssl的某些API 或相关问题，此时则需参考下面的流程对源码做出修改。

补充

        因为openssl每个跨级的版本（0.9/1.0/3.0）API的变动较大（有些遗弃有些修改），兼容性不好，我们编写的应用源代码可能会需要做些修改（如果使用的openssl变动了版本）。如果没有openssl的源码，系统中只有库文件，我们可以通过objdump命令来检索其用的哪些API，方便我们替换修改，举例：

$objdump -Tt libxxx.so | grep SSL*

类似返回如下结果：

参考

B站爱吃甜食的老猫的视频

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