软件安全实验报告

一、实验目的

生成随机数是安全软件中非常常见的任务。许多开发人员从他们以前的经验中知道如何生成随机数（例如用于蒙特卡洛模拟），因此出于安全目的，他们使用类似的方法生成随机数。不幸的是，随机数序列对于蒙特卡洛模拟可能是好的，但对于加密密钥则可能是不好的。开发人员需要知道如何生成安全的随机数，否则会出错。在一些著名的产品（包括Netscape和Kerberos）中也犯了类似的错误。

在本实验中，学生将学习为什么典型的随机数生成方法不适用于生成秘密（例如加密密钥）。他们将进一步学习生成用于安全目的的伪随机数的标准方法。

二、实验步骤与结果

1、Task1:Generate Encryption Key in a Wrong Way

在此任务中编译运行如下程序：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define KEYSIZE 16
void main()
{
 int i;
 char key[KEYSIZE];
 printf("%lld\n", (long long) time(NULL));
 srand (time(NULL)); 
 for (i = 0; i< KEYSIZE; i++){
  key[i] = rand()%256;
  printf("%.2x", (unsigned char)key[i]);
 }
printf("\n");
}

观察运行结果：

发现每一次运行结果都不一样，因为传入的随机数种子每一次都不一样。

之后注释掉上述代码第十行，运行结果：

每一次key都是一样的，尽管每一次运行结果程序内部数据很随机。

那么srand()函数的作用就是：将传入的参数作为随机数生成的种子，如果没有参数传入，那么种子就是一个固定值。

time()函数在此程序的作用就是：返回一个随机数作为种子，这个随机数每一次调用都不可能相等，因为时间一直向前走。

2、Task2:Guessing the Key

猜测密钥：

首先确定随机数生成种子的取值范围：

因为打算使用python来破解密钥，所以需要先将密钥输入到一个文件里面，代码为：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

#define KEYSIZE 16
void main()
{ 
   FILE *f;
   int i;
   char key[KEYSIZE];
   f=fopen("tmp.txt","w");
   for (long long j = 1524013609; j < 1524020809; j++){
     srand (j);
     for (i = 0; i< KEYSIZE; i++){
       key[i] = rand()%256;
       fprintf(f,"%.2x", (unsigned char)key[i]);
     }
     fprintf(f,"\n");
   }
}

得到txt文件：

之后使用python的crypto库实现破解密钥，代码为：

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from Crypto.Cipher import AES
mingwen = bytearray.fromhex('255044462d312e350a25d0d4c5d80a34')
miwen = bytearray.fromhex('d06bf9d0dab8e8ef880660d2af65aa82')
iv = bytearray.fromhex('09080706050403020100A2B2C2D2E2F2')

f=open('tmp.txt')
key = f.readlines()
for i in key:
    i = i.rstrip('\n')
    key2 = bytearray.fromhex(i)
    cipher = AES.new(key=key2, mode=AES.MODE_CBC, iv=iv)
    tmp = cipher.encrypt(mingwen)
    if tmp == miwen:
        print("the right key is : ", i)
        break

运行结果为：

破解成功。

3、Task3:Measure the Entropy of Kernel

测量kernel的熵。运行命令如下：

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watch -n .1 cat /proc/sys/kernel/random/entropy_avail

因为该值记录在/proc/sys/kernel/random/entropy_avail文件中，需要定时打印文件中的内容。

测试发现，如果什么操作都没有，那这个值不会变化，但是一旦有移动鼠标，点击鼠标，或者敲击键盘等行为，该值就会不断增大。

4、Task4:Get Pseudo Random Numbers from /dev/random

从/dev/random中获取伪随机数。

运行如下命令，观察现象：

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cat /dev/random | hexdump

即打印该文件中的值

发现如果没有什么操作的话，数据是不会生成的，只有有操作才会打印数据，并且操作越频繁，打印数据越快。

问题：如果一直不断的向服务器发送请求，那么导致系统可用熵用尽，从而随机数生成器不能正常使用，导致拒绝服务产生。

5、Task5:Get Random Numbers from /dev/urandom

使用和上一问同样的命令：

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cat /dev/urandom | hexdump

发现数据一直不停的生成，不管用户有无操作。

之后测量随机数的质量：

先生成1MB的二进制随机数文件，之后，在该文件上运行ent,命令如下：

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head -c 1M /dev/urandom > output.bin
ent output.bin

由上图可以看出：

熵值为7.999819比特每字节

最好的压缩之后，该文件损失率为0%等等

说明该随机序列随机性很好。

根据下面的代码：

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#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);

写出生成256bits的密钥生成代码，并将结果打在公屏上，代码如下：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define LEN 16
int main(){
  unsigned char * key = (unsigned char *)malloc(sizeof(unsigned char) * LEN);
  FILE * f = fopen("/dev/urandom", "r");
  fread(key, sizeof(unsigned char) * LEN, 1, f);
  fclose(f);
  printf("the key is : ");
  for (int i=0; i<LEN; i++)
  {
    printf("%.2x", key[i]);
  }
  printf("\n");
  return 0;
}

赏

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