20175316 盛茂淞 2018-2019-2 《Java程序设计》实验五 《网络安全与编程》 实验报告

20175316 盛茂淞 2018-2019-2 《Java程序设计》实验五 《网络安全与编程》 实验报告

一、实验报告封面

课程：Java程序设计 班级：1753班 姓名：盛茂淞 学号：20175316
指导教师：娄嘉鹏 实验日期：2018年5月31日
实验时间：15:35 - 17:15 实验序号：五
实验名称： 网络编程与安全
实验目的：
1、掌握Java Socket的相关内容；
2、学会建立客户端与服务器端之间的联系；
3、学习并应用密码学的相关内容

二、实验内容

任务（一）

• 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.java

任务（二）

• 1、基于Java Socket实现客户端/服务器功能，传输方式用TCP
• 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
• 3、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
• 4、客户端显示服务器发送过来的结果

任务（三）

• 1、基于Java Socket实现客户端/服务器功能，传输方式用TCP
• 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，把后缀表达式用3DES或AES算法加密后通过网络把密文发送给服务器
• 3、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
• 4、客户端显示服务器发送过来的结果

任务（四）

• 1、基于Java Socket实现客户端/服务器功能，传输方式用TCP
• 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，把后缀表达式用3DES或AES算法加密通过网络把密文发送给服务器
• 3、客户端和服务器用DH算法进行3DES或AES算法的密钥交换
• 4、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
• 5、客户端显示服务器发送过来的结果

任务（五）

• 1、基于Java Socket实现客户端/服务器功能，传输方式用TCP
• 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，把后缀表达式用3DES或AES算法加密通过网络把密文和明文的MD5値发送给服务器
• 3、客户端和服务器用DH算法进行3DES或AES算法的密钥交换
• 4、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
• 5、客户端显示服务器发送过来的结果
  最后将每个任务的代码上传到码云。

三、实验步骤

任务（一）

• 任务（一）早在结队编程—四则运算中我们就已经实现了中缀转后缀的功能，以及将后缀表达式利用栈进行运算的功能。因此任务（一）我们直接在之前代码的基础上进行修改即可。

• 具体方法：
  1.据表达式Exp = S1 + OP + S2(S1 ，S2是两个操作数，OP为运算符)有三种标识方法：
  OP + S1 + S2 为前缀表示法
  S1 + OP + S2 为中缀表示法
  S1 + S2 + OP 为后缀表示法
  2.中缀表达式转化成后缀表达式的过程：

• 设立一个栈，存放运算符，首先栈为空；

• 从左到右扫描中缀式，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；

• 若遇到运算符，则与栈顶比较，比栈顶级别高则进栈，否则退出栈顶元素并输出，然后输出一个空格作分隔符；

• 若遇到左括号，进栈；若遇到右括号，则一直退栈输出，直到退到左括号止。

• 当栈变成空时，输出的结果即为后缀表达式。
  2.后缀表达式求值的步骤：

• 设置一个操作数栈，开始栈为空；

• 从左到右扫描后缀表达式，遇操作数，进栈；

• 若遇运算符，则从栈中退出两个元素，先退出的放到运算符的右边，后退出的放到运算符左边，运算后的结果再进栈，直到后缀表达式扫描完毕。

• 此时，栈中仅有一个元素，即为运算的结果。

• 中缀转后缀代码

import java.util.*;
import java.lang.*;
public class MyBC{
    String Normal;
    String Behind= ""; //后序表示
    int countLeft=0,countRight=0;
    public void setNormal(String str){
        Normal=str;
        Behind="";
    }
    public void change(){
        Stack stack=new Stack();
        int opValue []=new int[100];
        for (int i=0;i<Normal.length() ;i++) {
            char chi=Normal.charAt(i);
            if (chi>='0'&&chi<='9'){ //数字直接输出
                Behind=Behind+chi;
            }
            else if (chi=='+'||chi=='-'||chi=='*'||chi=='÷'||chi=='/') { //如果是运算符的话：
                Behind=Behind+" ";
                if (stack.empty()){ //若栈为空，入栈
                    stack.push(chi);
                }
                else if (Value(chi)>Value((char)stack.peek())) { //若栈不空，那么比较优先级，如果优先级比栈顶元素高，入栈
                    stack.push(chi);
                }
                else{
                    Behind=Behind+ String.valueOf(stack.pop())+" ";//否则出栈输出
                    i--;
                }
            }
            else if(chi=='('){
                countLeft++;
                stack.push(chi);//左括号直接压栈
            }
            else if(chi==')'){ //如果遇到右括号，不停出栈并输出直到遇到左括号，把左括号出栈
                Behind+=" ";
                countRight++;
                while((char)stack.peek()!='('){
                    Behind=Behind+ String.valueOf(stack.pop())+" ";
                }
                stack.pop();
            }
        }
        Behind+=" ";
        while(!stack.empty()){
            Behind=Behind+String.valueOf(stack.pop())+" ";
        }
    }
    public int Value(char c){ //设定不同运算符的优先级
        int value=0;
        switch(c){
            case '(':
                value=1;
                break;
            case '+':
            case '-':
                value=2;
                break;
            case '*':
            case '÷':
                value=3;
                break;
            case '/':
                value=4;
                break;
            case ')':
                value=5;
            default:
                value=0;
        }
        return value;
    }
}

• 求后缀表达式

import java.util.*;

public class Caculate {
    public String caculate(String r){
        Rational result=new Rational();
        OutOfStack calculate=new OutOfStack();
        result=calculate.evaluate(r); //运算出结果
        int a=result.getNumerator();//获得结果的分子
        int b=result.getDenominator();//获得结果的分母
        if (b==1){
            return String.valueOf(a);
        }
        else{
            return String.valueOf(a)+"/"+String.valueOf(b);
        }

    }
}

代码运行结果如下，可以多种符号的四则运算。

任务（二）

通过java.net包中的Socket类和ServerSocket类来实现这个功能

• 套接字：IP地址表示计算机，端口号表示进程（线程），Socket类创建套接字对象并连接在一起（端口号与IP地址组合）。

• 客户端程序用Socket类创建负责连接到服务器的套接字对象，其构造方法为Socket([IP地址],[端口号])（可能抛出IOException异常）。对套接字对象建立后，可以使用
  ①getInputStream()获得一个输入流来读取服务器写入到输出流中的数据；②getOutputStream()获得一个输出流，服务器可以用输入流来读取客户写入到输出流中的数据。

• 客户负责建立连接到服务器的套接字对象。服务器需要创建一个ServerSocket对象来将客户端的套接字对象与服务器的套接字对象连接起来。ServerSocket的构造方法是ServerSocket([端口号])（当端口已被占用会抛出IOException异常）。接着，ServerSocket对象调用accept()方法再次返回一个与客户端对象相连接的新的Socket对象。同样的，它也具有上述的两个方法。

• 从套接字连接中读取数据，可能在另一端数据发送之前就已经开始读取了，而且会阻塞本线程，直到成功读取到信息。同时，accept方法也会阻塞线程的执行，直到收到客户的呼叫。为了解决“收不到呼叫而导致程序无法继续运行”的情况，ServerSocket对象在调用accept方法之前可以先调用setTimeout(s)方法来使得在调用accept方法时如果超过s毫秒没有收到呼叫，就抛出SocketTimeoutException异常。

• 双方通信完毕，套接字要使用close()方法关闭套接字连接。

• 使用多线程技术：由于使用套接字连接中读取数据时，可能会阻塞本线程直到成功读取到信息。为了避免这种情况，需要启动一个专门为该客户服务的线程。Socket的构造方法Socket()可以创建一个套接字对象，该对象调用public void connect(SocketAddress endpoint) throws IOException来与指定的套接字创建连接。这里的参数可以使用InetSocketAddress的构造方法public InetSocketAdress(InetAdress addr,int port)来获得。套接字通信的两个基本原则：
  ①服务器要启动一个专门的线程与客户的套接字建立连接；
  ②套接字的输入流在读取信息时可能发生阻塞，所以客户端与服务器端都需要在一个单独的线程中读取信息。

• 客户端关键代码

    System.out.print("输入中缀表达式:");
        while(scanner.hasNext()) {
            String middle="";//初始化middle
            try {
                middle = scanner.next();//输入中缀表达式
            }
            catch(InputMismatchException exp){
                System.exit(0);
            }
            try {
                myBC.setNormal(middle);
                myBC.change();//调用M有BC中的类来将中缀表达式转化为后缀表达式。
                System.out.println("后缀表达式:"+myBC.Behind); //Behind是类变量，所以可以通过类名来调用。
                out.writeUTF(myBC.Behind);//将后缀表达式写进流中

            }
            catch(Exception e) {}
        }

• Read类输出结果

...
public void run() {
       String result="";
       while(true) {
           try{ result=in.readUTF();//读取从服务器端传输回来的结果
               System.out.println("结果:"+result);
               System.out.println("输入中缀表达式:");//可以再次输入新的表达式进行运算。
           }
           catch(IOException e) {
               System.out.println("与服务器已断开"+e);
               break;
           }
       }
   }
...

• 服务器端关键代码

 ...
@Override
    public void run() {
        while(true) {
            try{  String r=in.readUTF();//堵塞状态，除非读取到信息
                String result=caculate.caculate(r);//调用Caculate类进行运算
                out.writeUTF(result);//将结果写入到流中
            }
            catch (IOException e) {
                System.out.println("客户离开");
                return;
            }
        }
    }
 ...

• 运行代码
• 客户端截图
  
• 服务器端截图
  

任务（三）

• 参考了之前实验三时娄老师的博客：Java 密码学算法，使用了DES算法。
• 加密部分代码

...
String cipher=sEnc.Cipher(myBC.Behind);//将后缀表达式加密
out.writeUTF(cipher);//将加密结果写入到流中让服务器端读取
 ...

• 解密部分代码

...
String r=in.readUTF();//读取客户端传过来的密文
String plain=sDec.Plain(r);//解密
String result=caculate.caculate(plain);//将解密得到的后缀表达式进行计算，然后返回计算结果。
 ...

• 运行截图
  客户端
  
  服务器端
  

任务（四）

关于DH算法

• Diffie-Hellman是一种建立密钥的方法，而不是加密方法。然而，它所产生的密钥可用于加密、进一步的密钥管理或任何其它的加密方式。
• 基于原根的定义及性质，可以定义Diffie-Hellman密钥交换算法.该算法描述如下：
  1，有两个全局公开的参数，一个素数q和一个整数a,a是q的一个原根.
  2，假设用户A和B希望交换一个密钥，用户A选择一个作为私有密钥的随机数XA(XA<q)，并计算公开密钥YA=a^XA mod q。A对XA的值保密存放而使YA能被B公开获得。类似地，用户B选择一个私有的随机数XB<q，并计算公开密钥YB=a^XB mod q。B对XB的值保密存放而使YB能被A公开获得。
  3，用户A产生共享秘密密钥的计算方式是K = (YB)^XA mod q.同样，用户B产生共享秘密密钥的计算是K = (YA)^XB mod q.这两个计算产生相同的结果： K = (YB)^XA mod q = (a^XB mod q)^XA mod q = (a^XB)XA mod q （根据取模运算规则得到） = a^(XBXA) mod q = (a^XA)XB mod q = (a^XA mod q)^XB mod q = (YA)^XB mod q 因此相当于双方已经交换了一个相同的秘密密钥.
  4，因为XA和XB是保密的，一个敌对方可以利用的参数只有q,a,YA和YB.因而敌对方被迫取离散对数来确定密钥.例如，要获取用户B的秘密密钥，敌对方必须先计算 XB = inda,q(YB) 然后再使用用户B采用的同样方法计算其秘密密钥K. Diffie-Hellman密钥交换算法的安全性依赖于这样一个事实：虽然计算以一个素数为模的指数相对容易，但计算离散对数却很困难.对于大的素数，计算出离散对数几乎是不可能的. 下面给出例子.密钥交换基于素数q = 97和97的一个原根a = 5.A和B分别选择私有密钥XA = 36和XB = 58.每人计算其公开密钥 YA = 5^36 = 50 mod 97 YB = 5^58 = 44 mod 97 在他们相互获取了公开密钥之后，各自通过计算得到双方共享的秘密密钥如下： K = (YB)^XA mod 97 = 44^36 = 75 mod 97 K = (YA)^XB mod 97 = 50^58 = 75 mod 97 从|50,44|出发，攻击者要计算出75很不容易。

客户端运行截图

服务器端运行截图

任务（五）

• 在任务（四）的基础上引入MD5算法加密的类，调用其他的函数，参数为要加密的字符串，返回加密后的字符串。

• 加密代码

...
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);//将加密结果转化为16进制字符串
        }
        System.out.println("MD5加密后的结果："+result);//输出加密后的结果
        return  result;//返回加密后的结果。
 ...

• 服务器端中改动的代码：

   ...
String r=in.readUTF();//读取信息到r中（r是密文）
String plain=sDec.Plain(r);//将r解密得到明文
String message=digestPass.MD5(plain);//将解密后得到的明文用MD5算法加密，放入message中
String result=caculate.caculate(plain);//将解密后得到的算式进行运算
String q=in.readUTF();//得到用户端传送过来用MD5加密的明文q。
if(message.equals(q)){ //比较message和q，如果相等则校验成功，将计算结果返回。
System.out.println("校验成功！");
out.writeUTF(result);
   ...

• 客户端中改动的代码：

   ...
String cipher=sEnc.Cipher(myBC.Behind);//将后缀表达式使用DES算法加密，得到密文cipher
out.writeUTF(cipher);把密文cipher写入流中以让服务器端读取。
out.writeUTF(digestPass.MD5(myBC.Behind));//将后缀表达式（明文）使用MD5算法加密，然后写入流中以让服务器端读取。

• 客户端截图
  
• 服务器端截图
  

四、码云链接

https://gitee.com/shengmaosong/java-besti-20175316/tree/master/shiyan5

五、实验过程中所遇到的问题

• 问题一：在调试过程中，服务器端会出现
  Exception in thread "main" java.lang.NullPointerExcption
  从而导致监听不成功
  解决办法：原因是我没有将之前的服务器端口关闭，而是开了多个服务器端口，却使用了同样的端口，所以导致了这个情况。把之前的端口先关掉，问题就解决了。

六、实验感悟

• 本次实验让我对网络编程与安全有了初步的了解，同时对于Java的密码学应用相比之前有了更深刻的认识。这次实验让我在Java、计算机网络、密码学三个方面有所学习有所进步，可以说是一举三得。因此我觉得这是一次很有意义的实验。