20242402 实验三《Python程序设计》实验报告

20242402 2024-2025-2 《Python程序设计》实验三报告

课程：《Python程序设计》
班级：2424
姓名：张宇涵
学号：20242402
实验教师：王志强
实验日期：2025年4月16日
必修/选修： 公选课

1.实验内容

（1）创建服务端和客户端，选择一个通信端口，用Python语言编程及通过socket套接字实现通信演示程序；

（2）包含文件的基本操作，例如打开和读写操作。

（3）发送方从文件读取内容，使用AES加密或XOR加密后并传输；接收方收到密文并解密，保存在文件中。

（4）程序代码托管到码云。

2. 实验过程及结果

1.先安装pycryptodome库（AES加密的相关库）；

2.在老师上课提供的程序，deepseek的帮助和自己亲自动手的多方协作下，完成了客户端，服务端的代码编写，具体逻辑如下：

• 若选择交流，则客户端和服务端一句一句进行互相交流，直至输入bye。

• 若选择传输文件，可以选择两种加密方式，异或加密或AES加密。输入文件地址，即可完成加密，传输，解密，存储。

  代码如下：

  • 服务端：

点击查看代码

# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2025/5/1 10:07
# @Author : weare
# @Email : 1021149940@qq.com
# @File : server.py
# @Project : python-experiment
# -*- what can I say -*-
# -*- coding: utf-8 -*-
# 文件名： FinalServer_v2.py
import socket
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import unpad

# region 加密配置
XOR_KEY = b'secret_key'  # 必须与客户端一致
AES_KEY = b'16byte-long-key!'


def xor_crypt(data: bytes) -> bytes:
    """异或解密函数（与加密使用相同函数）"""
    return bytes([b ^ XOR_KEY[i % len(XOR_KEY)] for i, b in enumerate(data)])


def aes_decrypt(encrypted: bytes) -> bytes:
    """AES解密函数
    Args:
        encrypted: 包含iv的加密数据
    Returns:
        解密后的原始字节数据
    """
    iv = encrypted[:16]
    cipher = AES.new(AES_KEY, AES.MODE_CBC, iv)
    return unpad(cipher.decrypt(encrypted[16:]), AES.block_size)


# endregion

def main():
    server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)  # 允许端口重用
    server.bind(('localhost', 9999))
    server.listen(5)
    print("服务器已启动，等待连接...")

    try:
        client, addr = server.accept()
        print(f"接收到来自 {addr} 的连接")

        mode = client.recv(1).decode()  # 获取工作模式

        if mode == "1":
            # region 聊天模式处理
            print("进入聊天模式")
            while True:
                data = client.recv(1024)
                if not data or data.decode().lower() == "bye":  # 退出条件
                    print("客户端终止对话")
                    break
                print(f"客户端说：{data.decode('utf-8')}")
                reply = input("回复：")
                client.send(reply.encode('utf-8'))
            # endregion

        else:
            # region 文件传输处理
            encrypt_type = client.recv(1).decode()  # 获取加密方式
            print(f"文件传输模式，加密方式：{'异或' if encrypt_type == '1' else 'AES'}")

            # 接收完整数据
            encrypted = b''
            while True:
                chunk = client.recv(4096)
                if not chunk: break
                encrypted += chunk

            # 解密处理
            if encrypt_type == "1":
                decrypted = xor_crypt(encrypted)
            else:
                decrypted = aes_decrypt(encrypted)

            # 保存文件
            with open('received_file', 'wb') as f:
                f.write(decrypted)
            print(f"文件接收成功（{len(decrypted)}字节）")
            # endregion

    finally:
        client.close()
        server.close()


if __name__ == '__main__':
    main()

• 客户端

点击查看代码

# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time : 2025/5/1 10:17
# @Author : weare
# @Email : 1021149940@qq.com
# @File : client.py
# @Project : python-experiment
# -*- what can I say -*-

import socket
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import os

# region 加密配置
XOR_KEY = b'secret_key'  # 异或加密密钥（需与服务端一致）
AES_KEY = b'16byte-long-key!'  # AES密钥（需16/24/32字节）


def xor_crypt(data: bytes) -> bytes:
    """异或加密/解密函数（对称算法）
    Args:
        data: 输入字节数据（明文或密文）
    Returns:
        处理后的字节数据
    """
    return bytes([b ^ XOR_KEY[i % len(XOR_KEY)] for i, b in enumerate(data)])


def aes_encrypt(data: bytes) -> bytes:
    """AES加密函数
    Args:
        data: 待加密的原始字节数据
    Returns:
        iv(16字节) + 加密后的数据
    """
    iv = os.urandom(16)
    cipher = AES.new(AES_KEY, AES.MODE_CBC, iv)
    return iv + cipher.encrypt(pad(data, AES.block_size))


# endregion

def main():
    client = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    try:
        client.connect(('localhost', 9999))
        print("已连接服务器！请选择模式：\n1. 聊天模式\n2. 文件传输")

        # region 模式选择
        while True:  # 输入验证循环
            mode = input(">> ")
            if mode in ("1", "2"):
                client.send(mode.encode())  # 发送模式标识
                break
            print("请输入1或2")
        # endregion

        if mode == "1":
            # region 聊天模式
            print("进入聊天模式（输入bye结束）")
            while True:
                msg = input("你说：")
                client.send(msg.encode('utf-8'))

                if msg.lower() == "bye":  # 退出条件
                    print("对话结束")
                    break

                reply = client.recv(1024).decode('utf-8')
                print(f"服务器回复：{reply}")
            # endregion

        else:
            # region 文件传输模式
            # 选择加密方式
            while True:
                encrypt_type = input("请选择加密方式：\n1. 异或加密\n2. AES加密\n>> ")
                if encrypt_type in ("1", "2"):
                    client.send(encrypt_type.encode())  # 发送加密方式
                    break
                print("输入无效，请重新选择！")

            file_path = input("输入要传输的文件路径：")
            try:
                with open(file_path, 'rb') as f:
                    file_data = f.read()

                # 加密处理
                if encrypt_type == "1":
                    encrypted = xor_crypt(file_data)
                else:
                    encrypted = aes_encrypt(file_data)

                client.sendall(encrypted)
                print(f"文件发送完成（{len(file_data)}字节）")
            except FileNotFoundError:
                print("错误：文件不存在")
            # endregion

    finally:
        client.close()


if __name__ == '__main__':
    main()

• 对每个分支进行测试：

  • 对话：

• AES加密：

• XOR加密：

3.代码托管到gitee中。

3. 实验过程中遇到的问题和解决过程

• 问题1：在安装库的时候，控制台上无法安装，提示Requirement already satisfied: pycryptodome in d:\python\python3.7\lib\site-packages (3.22.0)
• 问题1解决方案：在查询了CSDN后，转变思路，使用pycharm中自带的库安装的方法。如下图：

• 问题2：第一次运行的时候，客户端报错：Traceback (most recent call last):
  File "D:\pycharm\python-experiment\client.py", line 78, in
  main()
  ~~~~^^
  File "D:\pycharm\python-experiment\client.py", line 33, in main
  server.bind(('localhost', 9999))
  ~~~~~~~~~~~^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
  OSError: [WinError 10048] 通常每个套接字地址(协议/网络地址/端口)只允许使用一次。接着我去询问了deepseek。

• 问题2解决方案：

  server = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
  server.bind(('localhost', 9999)) # ❌ 客户端错误地绑定了端口
  

  错误发生在客户端尝试绑定服务器端口（这是服务端的行为），导致端口冲突。客户端应该使用connect()而非bind()。 将客户端中的错误修正，程序就可以正常运行了。

其他（感悟、思考等）

AES加密

首先呢，我很好奇AES加密算法的实现形式，但又怕看不懂，于是我就询问了deepseek:

现在我想了解一下aes加密实现方式是怎样的，他的每一步是怎样的，背后的数学原理是啥？请详细讲讲，说人话。谢谢。

deepseek给我的回复是：

我将用做菜的过程来类比AES加密，让你直观理解这个"加密厨房"如何运作。我们以最常见的AES-128（密钥长度128位）为例。

---

一、准备工作：切配食材（数据预处理）

1. 切块处理：把明文切成16字节的小块（128位），比如"HelloWorld123456"会被切成：

   | H | e | l | l |
   | o | W | o | r |
   | l | d | 1 | 2 |
   | 3 | 4 | 5 | 6 |
   

2. 腌制食材（密钥扩展）：用主密钥生成11把不同的"调料刀"（轮密钥）

   • 主密钥是原始调料（比如：盐）
   • 通过特殊配方（Rijndael密钥扩展算法），生成10轮调料组合+1把初始调料刀

---

二、烹饪流程（加密10轮）

每轮操作就像不同的烹饪手法，这里展示核心四道工序：

1. 撒盐（字节替换 - SubBytes）

• 每个字节通过一个特殊配方表（S盒）替换
• 类似把"西红柿"替换成"糖渍番茄"
• 示例：A3 → 0x8A

2. 翻炒（行移位 - ShiftRows）

• 第一行不动
• 第二行左移1格
• 第三行左移2格
• 第四行左移3格

原始：
| A | B | C | D |
| E | F | G | H |
| I | J | K | L |
| M | N | O | P |

移位后：
| A | B | C | D |
| F | G | H | E |
| K | L | I | J |
| P | M | N | O |

3. 搅拌（列混淆 - MixColumns）

• 每列进行矩阵乘法（在伽罗瓦域GF(2^8)上）
• 类似用打蛋器把蛋液搅拌均匀
• 数学公式：新字节 = 2*旧字节 ⊕ 3*旧字节 ⊕ 旧字节 ⊕ 旧字节
  （这里的⊕是异或操作，*是特殊乘法）

4. 加调料（轮密钥加 - AddRoundKey）

• 当前数据块与轮密钥做异或操作（XOR）
• 类似最后撒一把秘制调料

# 示例：XOR操作
数据：   01000001 (A)
轮密钥： 00010001 
结果：   01010000 (P)

---

三、核心数学原理

1. 有限域（Galois Field）：

   • 使用GF(2^8)这个数学系统（256个元素的有限域）
   • 所有运算结果都不会超过1字节（0-255）
   • 例如：加法=异或，乘法=特殊位移运算

2. 扩散与混淆：

   • 扩散：改变1个比特会影响整个加密结果（像打翻调料瓶影响整锅汤）
   • 混淆：密钥与密文的关系复杂到无法追踪（像调料比例成为商业机密）

3. 轮次设计：

   • 10轮操作形成"雪崩效应"
   • 即使只改变1比特，经过多轮操作后差异会被放大到整个数据块

---

四、为什么AES安全？

1. 密钥空间大：AES-128有2^128 ≈ 3.4×10^38种可能密钥

   • 对比：地球沙子总数约7.5×10^18粒

2. 数学基础牢固：

   • 基于有限域理论和线性代数
   • 没有已知的数学捷径可破解

3. 抗攻击设计：

   • 差分攻击需2^100次操作
   • 线性攻击需2^118次操作

---

五、完整流程图示

graph TD A[16字节明文] --> B(初始轮密钥加) B --> C{循环10次} C --> D[字节替换] D --> E[行移位] E --> F[列混淆] F --> G[轮密钥加] G --> C C --> H(最终轮) H --> I[字节替换] I --> J[行移位] J --> K[轮密钥加] K --> L[16字节密文]

六、现实类比

想象你在做一个10层的加密蛋糕：

1. 每层都要：涂果酱（字节替换）→ 旋转蛋糕（行移位）→ 混合奶油（列混淆）→ 撒糖粉（轮密钥加）
2. 最后一层不用混合奶油（最终轮没有MixColumns）
3. 每层使用的糖粉配方不同（轮密钥不同）

这样的蛋糕即使你知道制作步骤，也无法逆向推出原始配方（密钥）。这就是AES的安全精髓！

它的解释很有意思啊，把加密类比成做饭，确实是实现了我提示词中的说人话，便于让我这个小白有了一个初步的印象。

选择操作的实现

选择哪种操作这部分我不太会，是deepseek帮我实现的，然后我让他解释了一下这部分：

while True:
 mode = input(">> ")
 if mode in ("1", "2"): # 输入有效性验证
 client.send(mode.encode()) # 发送模式标识
 break
 print("请输入1或2") # 错误提示

1. 循环控制：while True创建无限循环，确保必须得到有效输入

2. 输入验证：if mode in ("1", "2")检查输入是否为合法选项

3. 协议同步：client.send()将模式标识发送给服务端，建立通信约定

4. 流程突破：break退出循环继续后续操作

5. 容错处理：错误提示帮助用户正确输入

参考资料

• python如何安装各种库

• DeepSeek - 探索未至之境