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1.密钥加解密实验（下）.md

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#密钥加解密实验（下） ##一、实验描述

本实验的学习目的是让学生熟悉密钥加密的概念，熟悉和了解加密算法(cipher)、加密模式(encryption mode)、 填充(padding)、以及初始向量(IV)的定义与作用。此外，学生还可以通过使用工具和编写程序加密/解密信息。

##二、实验环境

本实验中，我们将使用 openssl 命令行工具及其库。实验环境中已自带命令行工具，需安装 openssl 开发库。

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

编辑器使用 bless 十六进制编辑器,需预先安装。

$ sudo apt-get install bless

系统用户名: shiyanlou

##三、实验内容

###实验 5:使用 Openssl 加密库进行编程

上节实验中我们已经学习了如何使用 openssl 来加密和解密信息。在本实验中，我们将学习如何使用 openssl 的加密库来加密／解密信息，openssl 提供一个叫作 EVP 的高级接口，已封装底层函数，尽管 openssl 也为每一个单独的加密算法提供接口，但使用 evp 会更方便一些。

以下地址给出样例代码，先自行熟悉 EVP 接口，再继续接下来的实验。 https://www.openssl.org/docs/crypto/evp.html

实验已给出明文和密文，并告知加密方法为 aes-128-cbc，IV 全由 0 组成，以及 key 的长度小于 16 个字母，该单词可以从一般的英文词典中得到。由于该单词小于 16 个字母（128bits）所以在其后追加了空格字符（对应 0x20）以达到 128bit 的长度。给你的任务就是写一个程序找到 key，你可以从网上下载一个英文词典，也可以使用我们提供的。 词典地址

明文 (21 个字符): This is a top secret. 密文 (十六进制形式): 8d20 e505 6a8d 24d0 462c e74e 4904 c1b5 13e1 0d1d f4a2 ef2a d454 0fae 1ca0 aaf9

Note 1: 如果你打算将明文存储在文件中读取，一些编辑器可能会擅自加奇怪的东西进去，比如 windows 的记事本，使用实验室环境的编辑器不会有这样的顾虑。

Note 2: 为了编译你的代码或者写 makefile，你可能需要以下信息。

INC=/usr/local/ssl/include/ LIB=/usr/local/ssl/lib/ all: gcc -I$(INC) -L$(LIB) -o enc yourcode.c -lcrypto -ldl

下面给出参考代码

include <openssl/conf.h>
include <openssl/evp.h>
include <openssl/err.h>
include <string.h>
include <stdio.h>
include <stdlib.h>

define True 1
define False 0

void handleErrors(void)
{
  ERR_print_errors_fp(stderr);
  abort();
}

int encrypt(unsigned char *plaintext, int plaintext_len, unsigned char *key,
  unsigned char *iv, unsigned char *ciphertext)
{
  EVP_CIPHER_CTX *ctx;

  int len;

  int ciphertext_len;

  if(!(ctx = EVP_CIPHER_CTX_new())) handleErrors();

  if(1 != EVP_EncryptInit_ex(ctx, EVP_aes_128_cbc(), NULL, key, iv))
    handleErrors();

  if(1 != EVP_EncryptUpdate(ctx, ciphertext, &len, plaintext, plaintext_len))
    handleErrors();
  ciphertext_len = len;

  if(1 != EVP_EncryptFinal_ex(ctx, ciphertext + len, &len)) handleErrors();
  ciphertext_len += len;

  EVP_CIPHER_CTX_free(ctx);

  return ciphertext_len;
}

int append(char* buffer){
    int length = (int)strlen(buffer);
    if (length > 16)    
        return False;
    memset(buffer+strlen(buffer),' ', 16-length);
    buffer[16] = '\0';
    return True;

}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buffer[50];

    int i = 0;
    char iv[17];
    memset(iv, 0, 17);

    unsigned char *plaintext = "This is a top secret.";
    unsigned char ciphertext[100];
    unsigned char *cryptotext="8d20e5056a8d24d0462ce74e4904c1b513e10d1df4a2ef2ad4540fae1ca0aaf9";
                    
    ERR_load_crypto_strings();
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    OPENSSL_config(NULL);

    int ciphertext_len;

    FILE* fp = fopen("words.txt", "r");
    while (fscanf(fp, "%s\n", buffer) != EOF){
        if (!append(buffer))
            continue;
        
        ciphertext_len = encrypt(plaintext, strlen(plaintext), buffer, iv, ciphertext);

        unsigned char cryptohex[50];
        for (i = 0; i < ciphertext_len; i++)
        {
            sprintf(cryptohex+i*2,"%02x", ciphertext[i]);
        }   
        cryptohex[ciphertext_len*2] = '\0';

        if (0 == strcmp(cryptohex, cryptotext)){
            printf("The key is: %s\n", buffer);
            break;
        }   
    }
    EVP_cleanup();
    ERR_free_strings();
    return 0;
}

###实验 6：生成伪随机数 生成随机数在软件开发中很常见，在多数情况下，加密密钥并不由用户提供，而是由软件本身生成。随机数的随机性很重要，否则，攻击者就可能预测密钥，产生严重的后果。大多数开发者知道如何去生成随机数（比如。蒙特卡罗方法）。所以他们以相似的方法生成随机数。但这些“随机数”事实上并不够随机，仍然可能被攻击破解，历史上 Netscape 和 Kerberos 就犯过这样的错误。

在本实验中，学生将学习使用标准方法生成能够达到安全目的的伪随机数。

####6.A：内核熵（entropy） 计算机本身并不适合生成随机数，所以大多数系统通过物理资源获得随机性。比如 linux 通过以下函数获得随机性。

void add_keyboard_randomness(unsigned char scancode);
void add_mouse_randomness(__u32 mouse_data);
void add_interrupt_randomness(int irq);
void add_blkdev_randomness(int major);

前两个很好理解，第一个利用键盘按键时序和所按键的对应码，第二个利用鼠标的移动和中断时序。第三个利用所有的中断时序收集随机性，当然，并不是所有的中断都有好的随机性，比如时间中断就是可以预测的，而硬盘中断是一个好选择，第四个函数计算设备块请求的完成时间。

我们使用熵来衡量随机性，在这里熵只意味着计算机当前拥有多少位随机比特。以下命令可以得到系统当前拥有熵的数量：

$ cat /proc/sys/kernel/random/entropy_avail

Please move and click your mouses, type somethings, and run the program again. Please describe your observation in your report. 请移动或者点击鼠标，敲敲键盘，拿电脑闷泡面或者对电脑做点别的什么，之后再一次运行上面的命令，描述你的观察。

####6.B： 从 /dev/random 获得伪随机数。 linux 将从物理世界得到的随机数据存于一个随机池中，再由两个设备把随机数据转化成伪随机数。这两个设备有着不同的行为，我们先来学习/dev/random。

你可以使用以下命令从/dev/random 得到 16 字节的伪随机数，我们把数据 pipe 到 hexdump 中查看内容。

$ head -c 16 /dev/random | hexdump

请多次运行该命令，你会发现命令发生阻塞，因为每次取出伪随机数都会导致随机池的熵减少，当熵用完的时候，设备就会被阻塞直到获得足够的熵。请做点什么解决阻塞，让命令打出随机数来。

####6.C 从/dev/urandom 获得伪随机数。

此设备不会被阻塞，即使随机池的熵已经相当低了。 你可以使用以下命令从/dev/urandom 获得 1600 字节的伪随机数，运行几次检测该设备是否会阻塞。

$ head -c  1600 /dev/urandom | hexdump

/dev/random 与 /dev/urandom 都是从池中取出随机数据来生成伪随机数的。当熵不够用的时候，/dev/random 会阻塞，而/dev/urandom 则会持续生成新的数。请把池中的数据看作种子（seed），我们都知道，一颗种子能够生成任意数量的伪随机数。理论上来说, /dev/random 设备更加安全，不过在日常实践中，二者并没有太大区别，因为种子是随机且不可预测的,在取得新的随机数据时该设备就会补种，反而是/dev/random 设备的阻塞可能导致拒绝服务攻击。

所以推荐使用/dev/urandom 来获得随机数，为了在程序中使用它，你只需要直接从设备文件中读取。下面的代码片段演示设备的使用方法。

define LEN 16 // 128 bits
unsigned char *key = (unsigned char *) malloc(sizeof(unsigned char)*LEN);
FILE* random = fopen("/dev/urandom", "r");
fread(key, sizeof(unsigned char)*LEN, 1, random);
fclose(random);

##四、作业 ###按要求完成实验内容并回答每节实验给出的问题。

##License 本课程所涉及的实验来自 Syracuse SEED labs，并在此基础上为适配实验楼网站环境进行修改，修改后的实验文档仍然遵循 GNU Free Documentation License。

本课程文档 github 链接：https://github.com/shiyanlou/seedlab

附 Syracuse SEED labs 版权声明：

Copyright Statement Copyright 2006 – 2014 Wenliang Du, Syracuse University. The development of this document is funded by the National Science Foundation’s Course, Curriculum, and Laboratory Improvement (CCLI) program under Award No. 0618680 and 0231122. Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation. A copy of the license can befound at http://www.gnu.org/licenses/fdl.html.