基于Socket实现安全Diffie-Hellman密钥交换协议

1. 实验目的

(1) 掌握Diffie-Hellman密钥交换的原理； (2) 了解socket通信的概念，掌握socket通信的编程方法； (3) 了解TCP和UDP协议的工作原理与工作过程； (4) 能够编写基于客户/服务器端程序，运行程序并进行数据传输； (5) 综合运用密码学机制设计和实现安全Diffie-Hellman密钥交换协议。

2. 实验要求

(1) 利用socket编程编写包含客户端和服务器端的程序，要求两者能够进行数据交换。 Socket接口规范可以适用多种通讯协议，主要是TCP/IP。TCP/IP的核心部分由操作系统的内核实现，应用程序通过编程接口来访问TCP/IP，应用程序通讯的方式有图1所示。

应用程序通信方式

图1 应用程序通信方式

(2) 客户端和服务器端进行密钥交换，并分别计算最终生成的密钥，看两者的密钥是否一致。 (3) 安全性方面，综合运用密码学机制实现认证性、机密性、完整性，从而能够抵抗中间人等攻击，确保密钥交换协议的安全性。

3. 代码实现

本题为编程题，不提供标准答案。以下为可能的实现思路：

服务器端程序：

import socket
import random
import hashlib

def generate_key(p, g):
    a = random.randint(1, p-1)
    A = pow(g, a, p)
    return a, A

def calculate_key(p, B, a):
    return pow(B, a, p)

def main():
    # 设置IP和端口
    host = '127.0.0.1'
    port = 12345
    # 创建socket对象
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 绑定IP和端口
    s.bind((host, port))
    # 监听
    s.listen(1)
    print('Server is ready...')
    # 接受客户端连接
    conn, addr = s.accept()
    print('Connected by', addr)
    # 生成p和g
    p = 23
    g = 5
    # 生成私钥a和公钥A
    a, A = generate_key(p, g)
    # 发送公钥A给客户端
    conn.sendall(str(A).encode())
    # 接收客户端的公钥B
    data = conn.recv(1024)
    B = int(data.decode())
    # 计算密钥K
    K = calculate_key(p, B, a)
    # 发送K的hash值给客户端
    hash_K = hashlib.sha256(str(K).encode()).hexdigest()
    conn.sendall(hash_K.encode())
    # 关闭连接
    conn.close()

if __name__ == '__main__':
    main()

客户端程序：

import socket
import random
import hashlib

def generate_key(p, g):
    b = random.randint(1, p-1)
    B = pow(g, b, p)
    return b, B

def calculate_key(p, A, b):
    return pow(A, b, p)

def main():
    # 设置IP和端口
    host = '127.0.0.1'
    port = 12345
    # 创建socket对象
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    # 连接服务器
    s.connect((host, port))
    print('Connected to server...')
    # 接收服务器的公钥A
    data = s.recv(1024)
    A = int(data.decode())
    # 生成p和g
    p = 23
    g = 5
    # 生成私钥b和公钥B
    b, B = generate_key(p, g)
    # 发送公钥B给服务器
    s.sendall(str(B).encode())
    # 计算密钥K
    K = calculate_key(p, A, b)
    # 接收服务器发送的K的hash值
    data = s.recv(1024)
    hash_K = data.decode()
    # 计算K的hash值并比较
    if hash_K == hashlib.sha256(str(K).encode()).hexdigest():
        print('Key exchange succeeded! Shared key is:', K)
    else:
        print('Key exchange failed!')
    # 关闭连接
    s.close()

if __name__ == '__main__':
    main()

需要注意的是，以上实现中并未实现认证性、机密性、完整性的保护措施，仅仅是基于Diffie-Hellman密钥交换算法实现了密钥交换功能。如果需要实现更高级的安全保护措施，需要综合运用密码学机制，如使用数字证书实现认证、使用对称加密算法实现机密性和完整性保护等。