20155313 实验五《Java网络编程》
实验内容
1．掌握Socket程序的编写
2．掌握密码技术的使用
3．设计安全传输系统
实验要求
1. 结对实现中缀表达式转后缀表达式的功能 MyBC.java
2. 结对实现从上面功能中获取的表达式中实现后缀表达式求值的功能,调用MyDC.jav
3. 基于Java Socket实现客户端/服务器功能，传输方式用TCP
4. 客户端让用户输入中缀表达式，然后把中缀表达式调用MyBC.java的功能转化为后缀表达式，把后缀表达式通过网络发送给服务器
5. 服务器接收到后缀表达式，调用MyDC.java的功能计算后缀表达式的值，把结果发送给客户端
6. 客户端让用户输入中缀表达式，然后把中缀表达式调用MyBC.java的功能转化为后缀表达式，把后缀表达式用3DES或AES算法加密后通过网络把密文发送给服务器
7. 服务器接收到后缀表达式表达式后，进行解密（和客户端协商密钥，可以用数组保存），然后调用MyDC.java的功能计算后缀表达式的值，把结果发送给客户端
8. 客户端和服务器用DH算法进行3DES或AES算法的密钥交换
9. 服务器接收到后缀表达式表达式后，进行解密，然后调用MyDC.java的功能计算后缀表达式的值，把结果发送给客户端
10. 服务器接收到后缀表达式表达式后，进行解密，解密后计算明文的MD5值，和客户端传来的MD5进行比较，一致则调用MyDC.java的功能计算后缀表达式的值，把结果发送给客户端
实验步骤
1.实现中缀表达式转后缀表达式的功能 MyBC.java
代码示例如下：
package cc.openhome;
import java.util.Stack;
import java.util.StringTokenizer;
public class MyBC {
public boolean comparePrior(String operator1, String operator2) {
if("(".equals(operator2)) {
return true;
}
if ("*".equals(operator1) || "/".equals(operator1)) {
if ("+".equals(operator2) || "-".equals(operator2)) {
return true;
}
}
return false;
}
private boolean isOperator(String token) {
return (token.equals("+") || token.equals("-") ||
token.equals("*") || token.equals("/"));
}
private boolean isNum(String token){
if (Integer.parseInt(token)>=0)
return true;
return false;
}
public String exc(String expr){
String token;
StringBuffer exch=new StringBuffer();
Stack<String> op=new Stack<String>();
StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(expr);
while (tokenizer.hasMoreTokens()) {
token = tokenizer.nextToken();
//若遇到操作数，直接输出，并输出一个空格作为两个操作数的分隔符
if (isOperator(token)){
if (op.empty() || comparePrior(token,op.peek())){
op.push(token);
}
else{
String s=op.pop();
exch.append(s);
exch.append(" ");
}
}
else if("(".equals(token) || ")".equals(token)){
if ("(".equals(token)){
op.push(token);
}
if(")".equals(token)){
while (!(op.peek()).equals("(")){
String s=op.pop();
exch.append(s);
exch.append(" ");
}
}
}
else{
exch.append(token);
exch.append(" ");
}
}
while (!op.empty()){
String s=op.pop();
if (isOperator(s))
{
exch.append(s);
exch.append(" ");}
}
return exch.toString();
}
}
运行结果如下：
2.客户端让用户输入中缀表达式，然后把中缀表达式调用MyBC.java的功能转化为后缀表达式，把后缀表达式通过网络发送给服务器；服务器接收到后缀表达式，调用MyDC.java的功能计算后缀表达式的值，把结果发送给客户端
设置IP地址
打开cmd，输入ipconfig指令，如图：
获得我在当前局域网中的IP地址：10.29.43.143，并与结对伙伴确认连通；
建立Socket对象
Socket对象的相关作用在老师给的《Java网络编程技术》的博客中已经有所了解，在此总结获取Socket信息的方法：
getInetAddress(): 获得远程服务器的IP 地址.
getPort(): 获得远程服务器的端口.
getLocalAddress(): 获得客户本地的IP 地址.
getLocalPort(): 获得客户本地的端口.
getInputStream(): 获得输入流. 如果Socket 还没有连接, 或者已经关闭, 或者已经通过 shutdownInput() 方法关闭输入流, 那么此方法会抛出IOException.
getOutputStream(): 获得输出流, 如果Socket 还没有连接, 或者已经关闭, 或者已经通过 shutdownOutput() 方法关闭输出流, 那么此方法会抛出IOException.
建立一个Socket对象，用来连接特定服务器的指定端口，输入的参数是刚刚获取的ip地址和双方默认的同一端口。
实现连接的截图：
3.客户端让用户输入中缀表达式，然后把中缀表达式调用MyBC.java的功能转化为后缀表达式，把后缀表达式用3DES或AES算法加密后通过网络把密文发送给服务器；服务器接收到后缀表达式表达式后，进行解密（和客户端协商密钥，可以用数组保存），然后调用MyDC.java的功能计算后缀表达式的值，把结果发送给客户端
密钥的加密：
发送方A——>接收方B
A加密时，用B的公钥
B解密时，用B的私钥
发送方A对信息(明文)采用DES密钥加密,使用RSA公钥加密前面的DES密钥信息,最终将混合信息进行传递。同时用hash函数将明文进行用作验证。
接收方B接收到信息后，用RSA私钥解密DES密钥信息，再用RSA解密获取到的密钥信息解密密文信息，最终就可以得到我们要的信息(明文)。用hash函数对解出的明文进行验证，与发送过来的hash值相等，验证通过。
具体代码如下：
package cc.openhome;
import java.security.Key;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
public class AESCode {
public AESCode(){
}
private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
private static final String DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM = "AES/ECB/PKCS5Padding";//默认的加密算法
public static byte[] initSecretKey() {
//返回生成指定算法密钥生成器的 KeyGenerator 对象
KeyGenerator kg = null;
try {
kg = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
return new byte[0];
}
//初始化此密钥生成器，使其具有确定的密钥大小
//AES 要求密钥长度为 128
kg.init(128);
//生成一个密钥
SecretKey secretKey = kg.generateKey();
return secretKey.getEncoded();
}
private static Key toKey(byte[] key){
//生成密钥
return new SecretKeySpec(key, KEY_ALGORITHM);
}
public byte[] encrypt(byte[] data,Key key) throws Exception{
return encrypt(data, key,DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
}
public static byte[] encrypt(byte[] data,byte[] key) throws Exception{
return encrypt(data, key,DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
}
public static byte[] encrypt(byte[] data,byte[] key,String cipherAlgorithm) throws Exception{
//还原密钥
Key k = toKey(key);
return encrypt(data, k, cipherAlgorithm);
}
public static byte[] encrypt(byte[] data,Key key,String cipherAlgorithm) throws Exception{
//实例化
Cipher cipher = Cipher.getInstance(cipherAlgorithm);
//使用密钥初始化，设置为加密模式
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
//执行操作
return cipher.doFinal(data);
}
public static byte[] decrypt(byte[] data,byte[] key) throws Exception{
return decrypt(data, key,DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
}
public byte[] decrypt(byte[] data,Key key) throws Exception{
return decrypt(data, key,DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM);
}
public static byte[] decrypt(byte[] data,byte[] key,String cipherAlgorithm) throws Exception{
//还原密钥
Key k = toKey(key);
return decrypt(data, k, cipherAlgorithm);
}
public static byte[] decrypt(byte[] data,Key key,String cipherAlgorithm) throws Exception{
//实例化
Cipher cipher = Cipher.getInstance(cipherAlgorithm);
//使用密钥初始化，设置为解密模式
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
//执行操作
return cipher.doFinal(data);
}
public static String showByteArray(byte[] data){
if(null == data){
return null;
}
StringBuilder sb = new StringBuilder("{");
for(byte b:data){
sb.append(b).append(",");
}
sb.deleteCharAt(sb.length()-1);
sb.append("}");
return sb.toString();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
//byte[] key = initSecretKey();
byte[] key={1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0};
//System.out.println("key："+showByteArray(key));
//Key k = toKey(key); //生成秘钥
String data ="1 2 +";
System.out.println("加密前数据: string:"+data);
System.out.println("加密前数据: byte[]:"+showByteArray(data.getBytes()));
System.out.println();
byte[] encryptData = encrypt(data.getBytes(), key);//数据加密
System.out.println("加密后数据: byte[]:"+showByteArray(encryptData));
//System.out.println("加密后数据: hexStr:"+Hex.encodeHexStr(encryptData));
System.out.println();
byte[] decryptData = decrypt(encryptData, key);//数据解密
System.out.println("解密后数据: byte[]:"+showByteArray(decryptData));
System.out.println("解密后数据: string:"+new String(decryptData));
}
实验截图：
4.客户端和服务器用DH算法进行3DES或AES算法的密钥交换；服务器接收到后缀表达式表达式后，进行解密，然后调用MyDC.java的功能计算后缀表达式的值，把结果发送给客户端
具体代码如下：
package cc.openhome;
import java.security.Key;
import java.security.KeyFactory;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyAgreement;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.interfaces.DHPrivateKey;
import javax.crypto.interfaces.DHPublicKey;
import javax.crypto.spec.DHParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
public abstract class DHCoder {
/**
* 非对称加密密钥算法
*/
private static final String KEY_ALGORITHM = "DH";
/**
* 本地密钥算法，即对称加密密钥算法
* 可选DES、DESede或者AES
*/
private static final String SELECT_ALGORITHM = "AES";
/**
* 密钥长度
*/
private static final int KEY_SIZE = 512;
//公钥
private static final String PUBLIC_KEY = "DHPublicKey";
//私钥
private static final String PRIVATE_KEY = "DHPrivateKey";
/**
* 初始化甲方密钥
* @return Map 甲方密钥Map
* @throws Exception
*/
public static Map<String, Object> initKey() throws Exception{
//实例化密钥对生成器
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//初始化密钥对生成器
keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE);
//生成密钥对
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
//甲方公钥
DHPublicKey publicKey = (DHPublicKey)keyPair.getPublic();
//甲方私钥
DHPrivateKey privateKey = (DHPrivateKey)keyPair.getPrivate();
//将密钥对存储在Map中
Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>(2);
keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
return keyMap;
}
/**
* 初始化乙方密钥
* @param key 甲方公钥
* @return Map 乙方密钥Map
* @throws Exception
*/
public static Map<String, Object> initKey(byte[] key) throws Exception{
//解析甲方公钥
//转换公钥材料
X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(key);
//实例化密钥工厂
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//产生公钥
PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
//由甲方公钥构建乙方密钥
DHParameterSpec dhParameterSpec = ((DHPublicKey)pubKey).getParams();
//实例化密钥对生成器
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//初始化密钥对生成器
keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE);
//产生密钥对
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
//乙方公钥
DHPublicKey publicKey = (DHPublicKey) keyPair.getPublic();
//乙方私约
DHPrivateKey privateKey = (DHPrivateKey) keyPair.getPrivate();
//将密钥对存储在Map中
Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>(2);
keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
return keyMap;
}
/**
* 加密
* @param data 待加密数据
* @param key 密钥
* @return byte[] 加密数据
* @throws Exception
*/
public static byte[] encrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception{
//生成本地密钥
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, SELECT_ALGORITHM);
//数据加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
return cipher.doFinal(data);
}
/**
* 解密
* @param data 待解密数据
* @param key 密钥
* @return byte[] 解密数据
* @throws Exception
*/
public static byte[] decrypt(byte[] data, byte[] key) throws Exception{
//生成本地密钥
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, SELECT_ALGORITHM);
//数据揭秘
Cipher cipher = Cipher.getInstance(secretKey.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
return cipher.doFinal(data);
}
/**
* 构建密钥
* @param publicKey 公钥
* @param privateKey 私钥
* @return byte[] 本地密钥
* @throws Exception
*/
public static byte[] getSecretKey(byte[] publicKey, byte[] privateKey) throws Exception{
//实例化密钥工厂
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//初始化公钥
//密钥材料转换
X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(publicKey);
//产生公钥
PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
//初始化私钥
//密钥材料转换
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(privateKey);
//产生私钥
PrivateKey priKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
//实例化
KeyAgreement keyAgree = KeyAgreement.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
//初始化
keyAgree.init(priKey);
keyAgree.doPhase(pubKey, true);
//生成本地密钥
SecretKey secretKey = keyAgree.generateSecret(SELECT_ALGORITHM);
return secretKey.getEncoded();
}
/**
* 取得私钥
* @param keyMap 密钥Map
* @return byte[] 私钥
* @throws Exception
*/
public static byte[] getPrivateKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception{
Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
return key.getEncoded();
}
/**
* 取得公钥
* @param keyMap 密钥Map
* @return byte[] 公钥
* @throws Exception
*/
public static byte[] getPublicKey(Map<String, Object> keyMap) throws Exception{
Key key = (Key) keyMap.get(PUBLIC_KEY);
return key.getEncoded();
}
}
5. 服务器接收到后缀表达式表达式后，进行解密，解密后计算明文的MD5值，和客户端传来的MD5进行比较，一致则调用MyDC.java的功能计算后缀表达式的值，把结果发送给客户端
package cc.openhome;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.MessageDigest;
import sun.misc.BASE64Encoder;
public class MD5Coder {
/**利用MD5进行加密
* @param str 待加密的字符串
* @return 加密后的字符串
* @throws NoSuchAlgorithmException 没有这种产生消息摘要的算法
* @throws UnsupportedEncodingException
*/
public static String EncoderByMd5(String str) throws NoSuchAlgorithmException, UnsupportedEncodingException{
//确定计算方法
MessageDigest md5=MessageDigest.getInstance("MD5");
BASE64Encoder base64en = new BASE64Encoder();
//加密后的字符串
String newstr=base64en.encode(md5.digest(str.getBytes("utf-8")));
return newstr;
}
}
实验中遇到的问题及解决方案
问题如下：
解决方案：
通过上网查找资料，得到如下解释：如果有其他的Java项目（程序）在运行中，则JVM会被占用，便会出现该错误，要解决该问题直接结束正在运行的程序即可。因此在运行你想要调试的项目前，要确保JVM是处于Stop状态的。
| 步骤 | 耗时 | 百分比 |
|---|---|---|
| 需求分析 | 10分钟 | 20% |
| 设计 | 10分钟 | 20% |
| 代码实现 | 20分钟 | 40% |
| 测试 | 5分钟 | 10% |
| 分析总结 | 5分钟 | 10% |