基于Socket实现安全Diffie-Hellman密钥交换协议的Python程序

实验目的

掌握Diffie-Hellman密钥交换的原理；
了解Socket通信的概念，掌握Socket通信的编程方法；
了解TCP和UDP协议的工作原理与工作过程；
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；
综合运用密码学机制设计和实现安全Diffie-Hellman密钥交换协议。

实验要求

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。

图1 应用程序通信方式

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。
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。

程序实现

由于本实验需要涉及到网络通信和密码学机制，需要使用一些Python库来实现，建议使用以下库：

socket：实现网络通信
hashlib：实现哈希函数
cryptography：实现加密算法（如AES、RSA等）
struct：实现数据的打包和解包

以下是基于Socket实现安全Diffie-Hellman密钥交换协议的Python程序示例：

服务器端代码：

import socket
import random
import hashlib
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import struct

# Diffie-Hellman算法
def diffie_hellman(p, g):
    # 服务器端生成私钥a
    a = random.randint(1, p-2)
    # 计算公钥A
    A = pow(g, a, p)
    return a, A

# AES加密算法
def aes_encrypt(key, iv, plaintext):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(plaintext) + encryptor.finalize()
    return ciphertext

# AES解密算法
def aes_decrypt(key, iv, ciphertext):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    plaintext = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    return plaintext

# 服务器端程序
def server():
    # 设置IP地址和端口号
    ip = '127.0.0.1'
    port = 8888

    # 创建socket对象
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 绑定IP地址和端口号
    server_socket.bind((ip, port))

    # 开始监听
    server_socket.listen(1)
    print('服务器已启动，等待客户端连接...')

    # 接受客户端的连接请求
    client_socket, addr = server_socket.accept()
    print('客户端已连接：', addr)

    # 服务器端生成p和g
    p = 2147483647 # 大质数
    g = 2 # 原根

    # Diffie-Hellman算法密钥交换
    a, A = diffie_hellman(p, g)

    # 发送公钥A给客户端
    client_socket.send(struct.pack('Q', A))

    # 接收客户端的公钥B
    B = struct.unpack('Q', client_socket.recv(8))[0]

    # 计算共享密钥
    key = pow(B, a, p)

    # 计算摘要密钥
    digest_key = hashlib.sha256(str(key).encode()).digest()

    # 发送AES加密数据
    iv = b'0000000000000000'
    plaintext = b'Hello, world!'
    ciphertext = aes_encrypt(digest_key, iv, plaintext)
    client_socket.send(ciphertext)

    # 关闭socket连接
    client_socket.close()
    server_socket.close()

if __name__ == '__main__':
    server()

客户端代码：

import socket
import random
import hashlib
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import struct

# Diffie-Hellman算法
def diffie_hellman(p, g):
    # 客户端生成私钥b
    b = random.randint(1, p-2)
    # 计算公钥B
    B = pow(g, b, p)
    return b, B

# AES加密算法
def aes_encrypt(key, iv, plaintext):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(plaintext) + encryptor.finalize()
    return ciphertext

# AES解密算法
def aes_decrypt(key, iv, ciphertext):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    plaintext = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()
    return plaintext

# 客户端程序
def client():
    # 设置IP地址和端口号
    ip = '127.0.0.1'
    port = 8888

    # 创建socket对象
    client_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

    # 连接服务器
    client_socket.connect((ip, port))
    print('已连接到服务器')

    # 服务器端生成p和g
    p = 2147483647 # 大质数
    g = 2 # 原根

    # Diffie-Hellman算法密钥交换
    b, B = diffie_hellman(p, g)

    # 接收服务器端的公钥A
    A = struct.unpack('Q', client_socket.recv(8))[0]

    # 发送公钥B给服务器端
    client_socket.send(struct.pack('Q', B))

    # 计算共享密钥
    key = pow(A, b, p)

    # 计算摘要密钥
    digest_key = hashlib.sha256(str(key).encode()).digest()

    # 接收AES加密数据
    ciphertext = client_socket.recv(1024)
    iv = b'0000000000000000'
    plaintext = aes_decrypt(digest_key, iv, ciphertext)
    print('接收到的数据：', plaintext.decode())

    # 关闭socket连接
    client_socket.close()

if __name__ == '__main__':
    client()

在上述代码中，首先定义了Diffie-Hellman算法函数用于密钥交换，以及AES加密算法和AES解密算法用于数据加密和解密。

在服务器端程序中，首先创建socket对象并绑定IP地址和端口号，然后使用Diffie-Hellman算法生成p和g，并生成私钥a和公钥A，将公钥A发送给客户端。接着客户端发送公钥B给服务器端，服务器端通过私钥a和公钥B计算出共享密钥，再通过共享密钥计算出摘要密钥。服务器端使用摘要密钥对明文数据进行AES加密，并将加密后的数据发送给客户端。

在客户端程序中，先创建socket对象并连接服务器，然后使用Diffie-Hellman算法生成私钥b和公钥B，将公钥B发送给服务器端。接着客户端接收服务器端的公钥A，并计算出共享密钥和摘要密钥。客户端接收服务器端发送的AES加密数据，并使用摘要密钥对数据进行解密，最终输出明文数据。

这样，就完成了基于Socket实现安全Diffie-Hellman密钥交换协议的Python程序编写。