20172303 2017-2018-2 《程序设计与数据结构》实验五报告

• 课程：《程序设计与数据结构》
• 班级： 1723
• 姓名： 范雯琪
• 学号：20172303
• 实验教师：王志强
• 助教：张旭升/刘伟康
• 实验日期：2018年6月13日
• 必修/选修： 必修

实验内容

• 任务一：实现中缀转后缀并计算结果的功能
  • 参考数据结构应用
  • 结对实现中缀表达式转后缀表达式的功能 MyBC.java
  • 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：基于Java Socket实现客户端/服务器功能
  • 一人负责客户端，一人负责服务器
  • 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
  • 客户端显示服务器发送过来的结果
• 任务三：基于任务二，使用3DES或AES算法将后缀表达式进行加密
  • 一人负责客户端，一人负责服务器
  • 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
  • 客户端显示服务器发送过来的结果
• 任务四：基于任务三，使用DH进行密钥交换
  • 一人负责客户端，一人负责服务器
  • 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
  • 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
  • 客户端显示服务器发送过来的结果
• 任务五：基于任务四，使用MD5将明文加密
  • 一人负责客户端，一人负责服务器
  • 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
  • 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，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
  • 客户端显示服务器发送过来的结果

实验过程及结果

任务一

过程

因为在之前的结对编程中已经实现了这两个功能，并且老师说可以直接使用，我就直接使用了之前的InfixToSuffix类和Calculator类进行中缀转后缀和计算，在ArithmeticTest类中添加代码后实现。

运行结果

任务二

原理

TCP协议

• TCP是Tranfer Control Protocol的简称，是一种面向连接的保证可靠传输的协议.通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。
• 发送方和接收方的成对的两个socket之间必须建立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个socket（通常都是server socket）等待建立连接时，另一个socket可以要求进行连接，一旦这两个socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送或接收操作。
• TCP在网络通信上有极强的生命力，例如远程连接（Telnet）和文件传输（FTP）都需要不定长度的数据被可靠地传输。但是可靠的传输是要付出代价的，对数据内容正确性的检验必然占用计算机的处理时间和网络的带宽

Java.net.Socket

• 此类实现客户端套接字（也可以就叫“套接字”）。套接字是两台机器间通信的端点。
  套接字的实际工作由 SocketImpl类的实例执行。应用程序通过更改创建套接字实现的套接字工厂可以配置它自身，以创建适合本地防火墙的套接字。
• java在包java.net中提供了两个类Socket和ServerSocket，分别用来表示双向连接的客户端和服务端。这是两个封装得非常好的类，使用很方便。
• 构造方法
  
  其中address、host和port分别是双向连接中另一方的IP地址、主机名和端口号，stream指明socket是流socket还是数据报socket，localPort表示本地主机的端口号，localAddr和bindAddr是本地机器的地址（ServerSocket的主机地址），impl是socket的父类，既可以用来创建serverSocket又可 以用来创建Socket。count则表示服务端所能支持的最大连接数。例如：

　　Socket client = new Socket("127.0.01.", 80);ServerSocket server = new ServerSocket(80);

• 注意，在选择端口时，必须小心。每一个端口提供一种特定的服务，只有给出正确的端口，才能获得相应的服务。0~1023的端口号为系统所保留，例如http服务的端口号为80,telnet服务的端口号为21,ftp服务的端口号为23, 所以我们在选择端口号时，最好选择一个大于1023的数以防止发生冲突。

过程

• 使用ipconfig在cmd中查看自己的IP地址，要注意的是，在创建Socket的时候，如果是和结对伙伴的话，host要填结对伙伴的IP，而如果是自己既做客户端又做服务器时，host可以填127.0.0.1或localhost。
  
• 客户端
  • 创建Socket

  //1.建立客户端Socket连接，指定服务器位置和端口Socket socket = new Socket("172.16.43.217",8800);

  • 打开连接到Socket的输入流

  //2.得到socket读写流
  OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
  PrintWriter(outputStream);
  OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(outputStream);
  //输入流
  InputStream inputStream = socket.getInputStream();
  BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream,"UTF-8"));

  • 按照一定的协议对Socket进行读/写操作

  Scanner scanner = new Scanner(System.in);
  System.out.println("请输入计算式：（以空格隔开每个运算符和运算数）");
  String expr = scanner.nextLine();
  InfixToSuffix infixToSuffix = new InfixToSuffix();
  infixToSuffix.conversion(expr);
  System.out.println("我传送给服务器的信息为："+infixToSuffix.getMessage());
  String info = new String(infixToSuffix.getMessage().getBytes("utf-8"));
  outputStreamWriter.write(info);
  outputStreamWriter.flush();
  socket.shutdownOutput();
  //接收服务器的响应
  String reply = null;
  while (!((reply = bufferedReader.readLine()) == null)){System.out.println("接收服务器的信息为：" + reply);
  }

  • 关闭Socket

  bufferedReader.close();
  inputStream.close();
  outputStreamWriter.close();
  outputStream.close();
  socket.close();

• 服务器
• 服务器部分是我的结对伙伴完成的，这里放他的码云链接，其大致过程仍然是：
  • 创建Socket
  • 打开连接到Socket的输入/出流
  • 按照一定的协议对Socket进行读/写操作
  • 关闭Socket

运行结果

任务三

原理

DES加密算法

• DES加密是一种对称加密算法，它是分组密钥的代表算法，算法和密钥都需要良好的加密。
• 实现DES对称密钥的步骤有三步：
  • 生成对称密钥；
  • 使用对称密钥进行加密和解密；
  • 从文件中获取加密时使用的密钥，使用密钥进行解密。
• 关键代码

FileInputStream f=new FileInputStream("key1.dat");
ObjectInputStream b=new ObjectInputStream(f);
Key k=(Key)b.readObject( );
Cipher cp=Cipher.getInstance("DESede");
cp.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, k);
byte ptext[]=s.getBytes("UTF8");
for(int i=0;i<ptext.length;i++){System.out.print(ptext[i]+",");
}
System.out.println("");
byte ctext[]=cp.doFinal(ptext);
for(int i=0;i<ctext.length;i++){System.out.print(ctext[i] +",");
}
FileOutputStream f2=new FileOutputStream("SEnc.dat");
f2.write(ctext);

过程

• 刚开始我们在任务二的基础上进行代码增加，但是在运行时服务器端显示的是乱码，后来发现是因为传输的格式有问题，娄老师的博客里给的解密方式解密的必须是byte数组，之后我们就想办法把传过来的信息的格式改成byte数组，但是尝试了很多次都失败了。
• 而在在上网查的时候发现一篇博客中java的OutputStream.writeUTF()函数介绍了另一种方法：DataOutputStream/DataInputStream，其中有一个方法叫wrtieUTF，它将 UTF-8 字符串写入字节流。先写入以字节表示的 UTF-8 字符串长度（作为 16 位整数），然后写入表示字符串字符的字节。使用这个方法，在传输之后转化成byte数组就很方便了。
  
• 客户端
  
• 服务器

运行结果

任务四

原理

DH算法

• 在DH算法中，主要数据通过对称密钥加密，而使用非对称加密来分发对称密钥，这样就将两者的优势结合了起来。
• DH算法是建立在DH公钥和私钥的基础上的，A需要和B共享密钥时，A和B各自生成DH公钥和私钥，公钥对外公布而私钥各自秘密保存。
  

过程

• 1.修改原先的key_DH类和keyAgree类中的main方法，使其能够被引用。
  
  
• 2.创建DH公钥和私钥，将生成的公钥文件传给对方
  客户端
  
  服务器

运行结果

任务五

原理

• 使用Java计算指定字符串的消息摘要。java.security包中的MessageDigest类提供了计算消息摘要的方法。
• 运行代码

    String x=args[0];MessageDigest m=MessageDigest.getInstance("MD5");m.update(x.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);}System.out.println(result);

过程

在任务四的代码基础上将运行代码加入即可。

• 客户端
  
• 服务器

运行结果

实验过程中遇到的问题和解决过程

• 问题1：在第一次运行Socket时抛出IOException错误。

• 问题1解决方法：通过在网上查找发现这个错误好像是避免不了的，必须进行捕获或者抛出。

  在创建socket时如果发生错误，将产生IOException，在程序中必须对之作出处理。所以在创建Socket或ServerSocket是必须捕获或抛出例外。

• 问题2：在传输的过程中产生错误javax.crypto.BadPaddingException: Given final block not properly padded. Such issues can arise if a bad key is used during decryption.
• 问题2解决方法：通过翻译，产生的原因应该是因为服务器和客户端产生的密钥不同，在把我的密钥文件复制给他之后就解决了问题。
• 问题3：在任务三传输的过程中，传输过去的一直显示的是乱码

• 问题3解决方法：在刚刚的任务三的实验过程中有写到，我们找到了另外一种方法来解决这个问题。

其他（感悟、思考等）

本学期的最后一次实验了，感觉java socket真的非常有意思，最后悔的是当时实验三的最后一个节点做的不是很好，所以这回又去复习了半天密码学的相关内容。
回顾一个学期的内容发现自己真的学到了很多，很开心。

下学期继续加油。

参考资料

• java socket编程
• Java 密码学算法
• readUTF()和writeUTF()