2017-2018-2 20165214 實驗五《網絡編程與安全》實驗報告

時間  2020-04-25
標籤 實驗 網絡編程與安全 報告 欄目 系統網絡 简体版
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1、實驗報告封面

課程：Java程序設計 班級：1652班 姓名：朱文遠 學號：20165214html

指導教師：婁嘉鵬 實驗日期：2018年5月28日java

實驗時間：15:35 - 17:15 實驗序號：五git

實驗名稱： 網絡編程與安全算法

實驗目的：
一、掌握Java Socket的相關內容；
二、學會創建客戶端與服務器端之間的聯繫；
三、學習並應用密碼學的相關內容編程

2、實驗內容

任務（一）

  • 一、結對實現中綴表達式轉後綴表達式的功能 MyBC.java
  • 二、結對實現從上面功能中獲取的表達式中實現後綴表達式求值的功能,調用MyDC.java

任務（二）

  • 一、基於Java Socket實現客戶端/服務器功能，傳輸方式用TCP
  • 二、客戶端讓用戶輸入中綴表達式，而後把中綴表達式調用MyBC.java的功能轉化爲後綴表達式，把後綴表達式經過網絡發送給服務器
  • 三、服務器接收到後綴表達式，調用MyDC.java的功能計算後綴表達式的值，把結果發送給客戶端
  • 四、客戶端顯示服務器發送過來的結果

任務（三）

  • 一、基於Java Socket實現客戶端/服務器功能，傳輸方式用TCP
  • 二、客戶端讓用戶輸入中綴表達式，而後把中綴表達式調用MyBC.java的功能轉化爲後綴表達式，把後綴表達式用3DES或AES算法加密後經過網絡把密文發送給服務器
  • 三、服務器接收到後綴表達式表達式後，進行解密（和客戶端協商密鑰，能夠用數組保存），而後調用MyDC.java的功能計算後綴表達式的值，把結果發送給客戶端
  • 四、客戶端顯示服務器發送過來的結果

任務（四）

  • 一、基於Java Socket實現客戶端/服務器功能，傳輸方式用TCP
  • 二、客戶端讓用戶輸入中綴表達式，而後把中綴表達式調用MyBC.java的功能轉化爲後綴表達式，把後綴表達式用3DES或AES算法加密經過網絡把密文發送給服務器
  • 三、客戶端和服務器用DH算法進行3DES或AES算法的密鑰交換
  • 四、服務器接收到後綴表達式表達式後，進行解密，而後調用MyDC.java的功能計算後綴表達式的值，把結果發送給客戶端
  • 五、客戶端顯示服務器發送過來的結果

任務（五）

  • 一、基於Java Socket實現客戶端/服務器功能，傳輸方式用TCP數組

  • 二、客戶端讓用戶輸入中綴表達式，而後把中綴表達式調用MyBC.java的功能轉化爲後綴表達式，把後綴表達式用3DES或AES算法加密經過網絡把密文和明文的MD5値發送給服務器安全

  • 三、客戶端和服務器用DH算法進行3DES或AES算法的密鑰交換服務器

  • 四、服務器接收到後綴表達式表達式後，進行解密，解密後計算明文的MD5值，和客戶端傳來的MD5進行比較，一致則調用MyDC.java的功能計算後綴表達式的值，把結果發送給客戶端網絡

  • 五、客戶端顯示服務器發送過來的結果多線程

  • 最後將每一個任務的代碼上傳到碼雲。

3、實驗步驟

任務（一）的實現

  • 任務（一）早在結隊編程—四則運算中咱們就已經實現了中綴轉後綴的功能，以及將後綴表達式利用棧進行運算的功能。所以任務（一）咱們直接在以前代碼的基礎上進行修改便可。

  • 代碼運行結果以下，能夠多種符號的四則運算。

任務（二）的實現

  • 經過java.net包中的Socket類和ServerSocket類來實現這個功能。這時候我簡單回顧了以前我寫過的博客，從中複習一下這兩個類的具體功能：

套接字：IP地址表示計算機，端口號表示進程（線程），Socket類建立套接字對象並鏈接在一塊兒（端口號與IP地址組合）。
客戶端程序用Socket類建立負責鏈接到服務器的套接字對象，其構造方法爲Socket([IP地址],[端口號])（可能拋出IOException異常）。對套接字對象創建後，可使用①getInputStream()得到一個輸入流來讀取服務器寫入到輸出流中的數據；②getOutputStream()得到一個輸出流，服務器能夠用輸入流來讀取客戶寫入到輸出流中的數據。
客戶負責創建鏈接到服務器的套接字對象。服務器須要建立一個ServerSocket對象來將客戶端的套接字對象與服務器的套接字對象鏈接起來。ServerSocket的構造方法是ServerSocket([端口號])（當端口已被佔用會拋出IOException異常）。接着，ServerSocket對象調用accept()方法再次返回一個與客戶端對象相鏈接的新的Socket對象。一樣的，它也具備上述的兩個方法。
從套接字鏈接中讀取數據，可能在另外一端數據發送以前就已經開始讀取了，並且會阻塞本線程，直到成功讀取到信息。同時，accept方法也會阻塞線程的執行，直到收到客戶的呼叫。爲了解決「收不到呼叫而致使程序沒法繼續運行」的狀況，ServerSocket對象在調用accept方法以前能夠先調用setTimeout(s)方法來使得在調用accept方法時若是超過s毫秒沒有收到呼叫，就拋出SocketTimeoutException異常。
雙方通訊完畢，套接字要使用close()方法關閉套接字鏈接。
使用多線程技術：因爲使用套接字鏈接中讀取數據時，可能會阻塞本線程直到成功讀取到信息。爲了不這種狀況，須要啓動一個專門爲該客戶服務的線程。Socket的構造方法Socket()能夠建立一個套接字對象，該對象調用public void connect(SocketAddress endpoint) throws IOException來與指定的套接字建立鏈接。這裏的參數可使用InetSocketAddress的構造方法public InetSocketAdress(InetAdress addr,int port)來得到。套接字通訊的兩個基本原則：
①服務器要啓動一個專門的線程與客戶的套接字創建鏈接；
②套接字的輸入流在讀取信息時可能發生阻塞，因此客戶端與服務器端都須要在一個單獨的線程中讀取信息。
-- 引用自個人第九周學習任務

  • 根據這段提示還有教材的幫助，完成了代碼部分：
  • 客戶端關鍵代碼
System.out.print("輸入中綴表達式:");
        while(scanner.hasNext()) {
            String middle="";//初始化middle
            try {
                middle = scanner.next();//輸入中綴表達式
            }
            catch(InputMismatchException exp){
                System.exit(0);
            }
            try {
                myBC.setNormal(middle);
                myBC.change();//調用M有BC中的類來將中綴表達式轉化爲後綴表達式。
                System.out.println("後綴表達式:"+myBC.Behind); //Behind是類變量，因此能夠經過類名來調用。
                out.writeUTF(myBC.Behind);//將後綴表達式寫進流中

            }
            catch(Exception e) {}
        }
  • Read類輸出結果
...
public void run() {
        String result="";
        while(true) {
            try{ result=in.readUTF();//讀取從服務器端傳輸回來的結果
                System.out.println("結果:"+result);
                System.out.println("輸入中綴表達式:");//能夠再次輸入新的表達式進行運算。
            }
            catch(IOException e) {
                System.out.println("與服務器已斷開"+e);
                break;
            }
        }
    }
 ...
  • 服務器端關鍵代碼
...
@Override
    public void run() {
        while(true) {
            try{  String r=in.readUTF();//堵塞狀態，除非讀取到信息
                String result=caculate.caculate(r);//調用Caculate類進行運算
                out.writeUTF(result);//將結果寫入到流中
            }
            catch (IOException e) {
                System.out.println("客戶離開");
                return;
            }
        }
    }
 ...
  • 運行代碼，結果如圖（第一個圖是客戶端截圖，第二個圖是服務器端截圖）：
    客戶端截圖

服務器端截圖

任務（三）的實現

  • 參考了以前實驗三時婁老師的博客：Java 密碼學算法，使用了DES算法。
  • 加密部分代碼
...
String cipher=sEnc.Cipher(myBC.Behind);//將後綴表達式加密
out.writeUTF(cipher);//將加密結果寫入到流中讓服務器端讀取
 ...
  • 解密部分代碼
...
String r=in.readUTF();//讀取客戶端傳過來的密文
String plain=sDec.Plain(r);//解密
String result=caculate.caculate(plain);//將解密獲得的後綴表達式進行計算，而後返回計算結果。
 ...
  • 運行代碼，結果如圖

任務（四）的實現

  • 目前還沒接觸到DH算法這個概念，因而先上網查找相關內容。

Diffie-Hellman是一種創建密鑰的方法，而不是加密方法。然而，它所產生的密鑰可用於加密、進一步的密鑰管理或任何其它的加密方式。
基於原根的定義及性質，能夠定義Diffie-Hellman密鑰交換算法.該算法描述以下：
1，有兩個全局公開的參數，一個素數q和一個整數a,a是q的一個原根.
2，假設用戶A和B但願交換一個密鑰，用戶A選擇一個做爲私有密鑰的隨機數XA(XA<q)，並計算公開密鑰YA=a^XA mod q。A對XA的值保密存放而使YA能被B公開得到。相似地，用戶B選擇一個私有的隨機數XB<q，並計算公開密鑰YB=a^XB mod q。B對XB的值保密存放而使YB能被A公開得到.
3，用戶A產生共享祕密密鑰的計算方式是K = (YB)^XA mod q.一樣，用戶B產生共享祕密密鑰的計算是K = (YA)^XB mod q.這兩個計算產生相同的結果： K = (YB)^XA mod q = (a^XB mod q)^XA mod q = (aXB)XA mod q （根據取模運算規則獲得） = a^(XBXA) mod q = (aXA)XB mod q = (a^XA mod q)^XB mod q = (YA)^XB mod q 所以至關於雙方已經交換了一個相同的祕密密鑰.
4，由於XA和XB是保密的，一個敵對方能夠利用的參數只有q,a,YA和YB.於是敵對方被迫取離散對數來肯定密鑰.例如，要獲取用戶B的祕密密鑰，敵對方必須先計算 XB = inda,q(YB) 而後再使用用戶B採用的一樣方法計算其祕密密鑰K. Diffie-Hellman密鑰交換算法的安全性依賴於這樣一個事實：雖然計算以一個素數爲模的指數相對容易，但計算離散對數卻很困難.對於大的素數，計算出離散對數幾乎是不可能的. 下面給出例子.密鑰交換基於素數q = 97和97的一個原根a = 5.A和B分別選擇私有密鑰XA = 36和XB = 58.每人計算其公開密鑰 YA = 5^36 = 50 mod 97 YB = 5^58 = 44 mod 97 在他們相互獲取了公開密鑰以後，各自經過計算獲得雙方共享的祕密密鑰以下： K = (YB)^XA mod 97 = 44^36 = 75 mod 97 K = (YA)^XB mod 97 = 50^58 = 75 mod 97 從|50,44|出發，攻擊者要計算出75很不容易.
-- 引用自百度百科

任務（五）的實現

  • 在任務（四）的基礎上引入MD5算法加密的類，調用其餘的函數，參數爲要加密的字符串，返回加密後的字符串。
  • 參考了婁老師的博客：Java 密碼學算法中的MD5算法講解。
  • 加密代碼
...
public String MD5(String cipher) throws Exception{
        MessageDigest m=MessageDigest.getInstance("MD5");
        m.update(cipher.getBytes("UTF8"));
        byte s[ ]=m.digest( );
        String result="";
        for (int i=0; i<s.length; i++){
            result+=Integer.toHexString((0x000000ff & s[i]) |
                    0xffffff00).substring(6);//將加密結果轉化爲16進制字符串
        }
        System.out.println("MD5加密後的結果："+result);//輸出加密後的結果
        return  result;//返回加密後的結果。
 ...
  • 服務器端中改動的代碼：
...
String r=in.readUTF();//讀取信息到r中（r是密文）
String plain=sDec.Plain(r);//將r解密獲得明文
String message=digestPass.MD5(plain);//將解密後獲得的明文用MD5算法加密，放入message中
String result=caculate.caculate(plain);//將解密後獲得的算式進行運算
String q=in.readUTF();//獲得用戶端傳送過來用MD5加密的明文q。
if(message.equals(q)){ //比較message和q，若是相等則校驗成功，將計算結果返回。
System.out.println("校驗成功！");
out.writeUTF(result);
   ...
  • 客戶端中改動的代碼：
...
String cipher=sEnc.Cipher(myBC.Behind);//將後綴表達式使用DES算法加密，獲得密文cipher
out.writeUTF(cipher);把密文cipher寫入流中以讓服務器端讀取。
out.writeUTF(digestPass.MD5(myBC.Behind));//將後綴表達式（明文）使用MD5算法加密，而後寫入流中以讓服務器端讀取。
   ...
  • 運行結果如圖

4、碼雲連接

5、遇到的問題

  • 問題1：在調試代碼的時候，有時候運行服務器端的程序會出現這樣的問題：

  • 問題1解決：緣由是我沒有將以前的服務器端口關閉，而是開了多個服務器端口，卻使用了一樣的端口，因此致使了這個狀況。把以前的端口先關掉，問題就解決了。

6、總結

本次實驗讓我對網絡編程與安全有了初步的瞭解，同時對於Java的密碼學應用相比以前有了更深入的認識。此次實驗讓我在Java、計算機網絡、密碼學三個方面有所學習有所進步，能夠說是一舉三得。所以我以爲這是一次頗有意義的實驗。

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