Изучение методов разработки программного обеспечения для создания UDP сокетов и протоколов

Основой сетевого взаимодействия в программе является класс Network. Приведём список основных команд, на основе которых строится всё сетевое взаимодействие между клиентами программами. В классе они представлены в виде глобальных переменных:

/**

* Идентификатор команды "маячка". Передаётся для

* обозначание, что клиент в сети.

* Пример: PRSN

*/

public static final String CMD_PRESENT = "PRSN";

/**

* Идентификатор команды смены ника.

* Пример: NICK:nick

*/

public static final String CMD_NICK = "NICK";

/**

* Идентификатор команды синхронизации. В команде

* передаётся список названий всех комнат, в

* которых состоит клиент.

* Пример: SYNC:room1:room2:...

*/

public static final String CMD_SYNC = "SYNC";

/**

* Идентификатор команды выхода. Команда широко-

* вещательно отсылается при выходе из клиентской

* программы.

* Пример: QUIT

*/

public static final String CMD_QUITE = "QUIT";

/**

* Идентификатор команды инициализации защищённого

* соединения. Вместе с командой отсылается открытый

* ключ, с помощью которого будут шифроваться исходящие

* сообщения.

* Пример: INIT:public_key

*/

public static final String CMD_PRV_INIT = "INIT";

/**

* Идентификатор команды подтверждения установления

* защищённого соединения. Вместе с командой передаётся

* открытый ключ для шифровки входящих сообщений.

* Пример: ACPT:public_key

*/

public static final String CMD_PRV_ACCEPT = "ACPT";

/**

* Идентификатор команды входящего сообщения. Вместе

* с командой передаётся название комнаты, в которую

* адресовано сообщение, и само сообщение.

* Пример: MSG:room:message

*/

public static final String CMD_MESSAGE = "MSG";

Приём UDP пакетов из UDP сокета, слушающего определённый порт, организован в виде отдельной нити в программе. Эту нить запускает метод runRecievingProcess(), описание которого представлено ниже:

/**

* Данный метод запускает процесс приёма входящих

* UDP пакетов в отдельной нити.

*/

public void runRecievingProcess() {

new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

DatagramSocket ds = null;

DatagramPacket packet = null;

byte[] buf = new byte[BUF_LENTH];

try {

// создаём UDP совет, слушающий входящие соединения

// на порт port.

ds = new DatagramSocket(port);

} catch (SocketException e) {

e.printStackTrace();

}

// Создаём пакет на основе буфера и указания его длины,

// в который будет записан входящий пакет данных.

packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);

// Бесконечный цикл для приёма всех входящих UDP пакетов.

while(true) {

try {

// Принимаем UDP пакет.

ds.receive(packet);

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

// Т.к. буфер данных, в который записывается сообщение

// из пришедшего пакета, всегда дополняется до максимума,

// необходимо выделить из него лишь значимую часть.

byte[] shortBuf = new byte[packet.getLength()];

System.arraycopy(buf, 0, shortBuf, 0, packet.getLength());

String mes = new String(shortBuf);

// Выводим в консоль пришедшее сообщение из пакета.

System.out.println(mes);

// Передаём сообщение и адрес, откуда оно пришло, в

// специальный метод для дальнейшего анализа данных.

parseMessage(packet.getAddress().getHostAddress(), mes);

}

}

}).start(); // Запуск нити

}

Чтобы что-то принять, нужно что-то отправить. Для отправки UDP пакетов служит методы sendMessage(), описанный ниже:

/**

* Данный метод передаёт UDP пакеты через UDP сокет.

*

* @param message сообщение для передачи. Может быть null

* при типах сообщения отличных от CMD_MESSAGE.

* @param roomName комната, в которую необходимо передать сообщение.

* Может быть null, тогда сообщение будет передано широковещательно.

* @param type тип сообщения.

*/

synchronized public void sendMessage(String message, String roomName, String type) {

DatagramPacket packet = null;

if(type == null || (message == null && type == CMD_MESSAGE))

throw new NullPointerException();

if(message == null)

message = "";

try {

// Подготовливаем сообщение в зависимости от его типа.

message = prepareMessage(message, roomName, type);

// Проверяем, находится ли пользователь в той комнате,

// в которую нужно передать сообщение.

NetRoom room = getRoomByName(roomName);

// Необходимо определить список адресов, на которые

// будем посылать UDP пакеты.

Vector<String> addrs = null;

if(room != null) {

// Если сообщение адресовано в конкретную комнату, то

// выделяем список тех, кто в ней находится.

addrs = room.getAddresses();

} else {

// Иначе устанавливаем список в широковещательный.

addrs = BROADCAST;

}

// Последовательно в цикле передаём пакет по всем нужным адресам.

for(String addr : addrs) {

// Преобразование адреса из символьного представления в

// понятный программе.

InetAddress inetAddr = InetAddress.getByName(addr);

// Пропускаем передачу пакета к себе же.

if(inetAddr.getHostAddress().equals(localAddress))

continue;

// Формируем UDP пакет для передчи. Методу передаются сообщение

// в виде байтового массива, длина сообщения, сетевой адрес

// назначения, а также порт.

packet = new DatagramPacket(message.getBytes(), message.length(),

inetAddr, port);

// Отсылаем пакет через сокет.

sendingSocket.send(packet);

}

} catch (SocketException e) {

e.printStackTrace();

} catch (UnknownHostException e) {

e.printStackTrace();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

}

Перед отправкой сообщения, оно формируется таким способом, чтобы было понятно другим подобным программам клиентам. Этим формированием занимается метод prepareMessage(), описанный ниже:

/**

* Данный метод предназначен для подготовки сообщения к

* передачи в зависимости от его типа.

*

* @param message сообщение для передачи. Может быть null

* при типах сообщения отличных от CMD_MESSAGE.

* @param roomName комната, в которую необходимо передать сообщение.

* Может быть null, тогда сообщение будет передано широковещательно.

* @param type тип сообщения.

* @return подготовленнное к передаче сообщение.

*/

private String prepareMessage(String message, String roomName, String type) {

String mes = null;

// Тип сообщения CMD_PRESENT

// Пример: PRSN:nick

if(type.equals(CMD_PRESENT)) {

// Добавляем к идентификатору ник пользователя.

mes = CMD_PRESENT+":"+nick;

}

// Тип сообщения CMD_SYNC

// Пример: SYNC:room_1:@room_2...

else if(type.equals(CMD_SYNC)) {

mes = CMD_SYNC;

// Добавляем к идентификатору список всех комнат,

// в которых находится пользователь.

for(NetRoom r : rooms)

mes += ":"+r.getName();

}

// Тип сообщения CMD_NICK

// Пример: NICK:nick

else if(type.equals(CMD_NICK)) {

// Добавляем к идентификатору ник пользователя.

mes = CMD_NICK+":"+nick;

}

// Тип сообщения CMD_QUIT

// Пример: QUIT

else if(type.equals(CMD_QUITE)) {

mes = CMD_QUITE;

}

// Тип сообщения CMD_SYNC

// Пример: MSG:room:message

else if(type.equals(CMD_MESSAGE)) {

NetRoom room = getRoomByName(roomName);

if(room != null) {

// Если у комнаты стоит идентияикатор защищённого соединения,

// то сообщение перед отправкой необходимо зашифровать.

if(room.isProtected()) {

// Проверяем, пришёл ли к нам открытые ключ от инициатора

// защищённого соединения.

if(room.getExternalPublicKey() != null) {

// Зашифровываем сообщение с помощтю полученного открытого ключа.

message = RSACipher.encode(message, room.getExternalPublicKey());

} else {

// Если кдюча нет, то посылаем в представление сообщение об ошибке.

// Пример: from:INFO:room:message

fireActionPerformed(localAddress

+":"+INFO

+":"+room.getName()

+":"+"Ошибка при кодировании. Нет открытого ключа.");

return "";

}

}

}

// Добавляем к идентификатору название комнаты,

// в которую оно адресовано, и само сообщение.

mes = CMD_MESSAGE+":"+roomName+":"+message;

}

// Тип сообщения CMD_PRV_INIT

// Пример: INIT:room:public_key

else if(type.equals(CMD_PRV_INIT)) {

// Находим в спике комнат нужную по названию.

NetRoom room = getRoomByName(roomName);

if(room != null) {

// Извлекаем открытый ключ, который понадобится другой

// стороне защищенного соединения для шифрования исходящих

// сообщений.

PublicKey pubKey = room.getKeyPair().getPublic();

// Добавляем к идентификатору название комнаты, в которую

// адресовано ообщение и открытый ключ.

mes = CMD_PRV_INIT+":"+roomName+":"+new String(pubKey.getEncoded());

}

}

// Тип сообщения CMD_ACCEPT

// Пример: ACPT:room:public_key

else if(type.equals(CMD_PRV_ACCEPT)) {

// К идентификатору добавляем название комнаты,

// в которой устанавливается защищённое соединение,

// а также само сообщение.

mes = CMD_PRV_ACCEPT+":"+roomName+":"+message;

}

return mes;

}

После приёма входящего сообщения, его необходимо обработать, для этого служит метод parseMessage(), описанный ниже:

/**

* Парсинг входящих сообщений.

*

* @param from сетевой адрес того, от кого пришло сообщение.

* @param mes само сообщение.

*/

private void parseMessage(String from, String mes) {

// PRSN:nick

if(mes.startsWith(CMD_PRESENT)) {

// На маячок нужно ответить синхронизирующим сообщением.

// В нём передаётся список комнат, к которым подключен пользователь.

sendMessage(null, null, CMD_SYNC);

// Передаём команду в систему отображения.

// Пример: from:PRSN:nick

fireActionPerformed(from+":"+mes);

}

// SYNC:room_1:room_2...

else if(mes.startsWith(CMD_SYNC)) {

String[] split = mes.split(":");

// В цикле перебираем все названия комнат в синхросообщении.

for(int i = 1; i < split.length; i++) {

// Находим нужную комнату.

NetRoom room = getRoomByName(split[i]);

// Добавляем в список адресов комнаты тот,

// от кого пришло это сообщение.

if(room != null)

room.addAddress(from);

}

// Передаём команду в систему отображения.

// Пример: from:SYNC:room_1:room_2...

fireActionPerformed(from+":"+mes);

}

// QUIT

else if(mes.startsWith(CMD_QUITE)) {

// Передаём команду в систему отображения.

// Пример: from:QUIT

fireActionPerformed(from+":"+mes);

}

// NICK:nick

else if(mes.startsWith(CMD_NICK)) {

// Передаём команду в систему отображения.

// Пример: from:NICK:nick

fireActionPerformed(from+":"+mes);

}

// MSG:room:message

else if(mes.startsWith(CMD_MESSAGE)) {

String[] split = mes.split(":", 3);

String roomName = split[1];

String message = split[2];

// Находим по имени комнату, в которую адресовано сообщение.

NetRoom room = getRoomByName(roomName);

if(room != null) {

// Если у комнаты стоит метка о необходимости защищённого

// соединения, то входящее сообщение неоходимо расшифровать.

if(room.isProtected()) {

try {

// Расшифровываем входящее сообщение с помощью

// сохранённого закрытого ключа.

message = RSACipher.decode(message, room.getKeyPair().getPrivate());

} catch (BadPaddingException e) {

// Если случилась ошибка при расшифровке, то передаём

// необходимую информацию в отображение.

// Пример: from:INFO:room:message

fireActionPerformed(localAddress

+":"+INFO

+":"+room.getName()

+":"+"Ошибка при декодировании. Нет ключа или он не верен.");

}

}

// Передаём команду в систему отображения.

// Пример: from:MSG:room:message

fireActionPerformed(from+":"+CMD_MESSAGE+":"+roomName+":"+message);

}

}

// INIT:room:public_key || ACPT:room:public_key

else if(mes.startsWith(CMD_PRV_INIT) || mes.startsWith(CMD_PRV_ACCEPT)) {

String[] split = mes.split(":", 3);

String cmd = split[0];

String roomName = split[1];

String key = split[2];

NetRoom room = null;

// При инициализации защищённого соединения для какой-либо

// комнаты, необходимо добавить её в список комнат, к которым

// причастен пользователь.

if(cmd.equals(CMD_PRV_INIT)) {

room = new NetRoom(roomName);

rooms.add(room);

} else

// При принятии приглашения на создание защищенного соединения,

// ищем по названию уже существующую комнату.

room = getRoomByName(roomName);

if(room != null) {

// Проверяем установку флага защищённого соединения.

room.setProtected(true);

// Преобразуем полученный массив байт в открытый.

// Сначала из массива байт образуется спецификация ключа.

X509EncodedKeySpec pubKeySpec = new X509EncodedKeySpec(key.getBytes());

try {

// Затем создаётся фабрика ключей на основе нужного алгоритма шифрования.

KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(RSACipher.ALGORITHM);

// И наконец создаётся сам открытый ключ.

PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(pubKeySpec);

// Устанавливаем его в качестве параетра нужной комнаты.

room.setExternalPublicKey(pubKey);

} catch (InvalidKeySpecException e) {

e.printStackTrace();

} catch (NoSuchAlgorithmException e) {

e.printStackTrace();

}

}

// В отображение необходимо передавать лишь команду инициализации

// защищённого соединения.

if(cmd.equals(CMD_PRV_INIT)) {

// Пример: from:INIT:room:public_key

fireActionPerformed(from+":"+cmd+":"+roomName);

// И необходимо сформировать и передать пакет подтверждения

// соединения. А вместе с ним передать ключ для шифровки сообщений.

sendMessage(new String (room.getKeyPair().getPublic().getEncoded()),

roomName, CMD_PRV_ACCEPT);

}

}

}

Для того, чтобы клиенты знали о существовании друг друга, в каждом из них при запуске программы начинается исполнятся специальная нить, в которой с определённой периодичностью посылается широковещательный пакет определённого формата, который и свидетельствует о наличии клиента в сети. За запуск этой нити отвечает метод runBroadcasting(), описанный ниже:

/**

* Данный метод запускает процесс передачи "маячковых"

* пакетов с определённой периодичностью.

* @param period частота передачи "маяковых" пакетов.

*/

public run Broadcasting(long period) {

Timer timer = new Timer(true);

TimerTask task = new TimerTask() {

@Override

public void run() {

// Широковещательно передаётся команда PRSN

sendMessage(null, null, CMD_PRESENT);

}

};

timer.schedule(task, 1000, period);

Для реализации защищённых пользовательских каналов методом асинхронного шифрования RSA, используются три метода: encode(), decode() и initKeys(), определённые в классах RSACipher и NetRoom.

Метод encode() шифрует предоставленные ему данные на основе переданного открытого ключа. Описание метода представлено ниже:

/**

* Метод шифрует переданные данные на основе открытого ключа.

* @param data данные для шифрования.

* @param publicKey открытый ключ.

* @return зашифрованное сообщение.

*/

public static String encode(String data, PublicKey publicKey) {

String res = null;

try {

// Создаётся экземпляр кодировщика на основании алгоритма RSA.

Cipher enc = Cipher.getInstance(ALGORITHM);

// Инициализация кодировщика открытым ключом.

enc.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);

// Шифровка сообщения за один проход.

res = new String(enc.doFinal(data.getBytes()));

} catch (NoSuchAlgorithmException e) {

e.printStackTrace();

} catch (NoSuchPaddingException e) {

e.printStackTrace();

} catch (InvalidKeyException e) {

e.printStackTrace();

} catch (IllegalBlockSizeException e) {

e.printStackTrace();

} catch (BadPaddingException e) {

e.printStackTrace();

}

return res;

}

4.6.2 Метод decode() расшифрует предоставленные ему данные на основе сохранённого закрытого ключа. Описание метода представлено ниже:

/**

* Метод расщифрует перданные данные на основе закрого ключа.

* @param data данные для расшифровки.

* @param privateKey закрытый ключ.

* @return расшифрованное сообщение.

*/

public static String decode(String data, PrivateKey privateKey) throws BadPaddingException {

String res = null;

try {

// Создаётся экземпляр кодировшика на основе алгоритма RSA.

Cipher dec = Cipher.getInstance(ALGORITHM);

// Инициализация кодировщика закрытым ключом.

dec.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);

// Расшифровка сообщения за один проход.

res = new String(dec.doFinal(data.getBytes()));

} catch (NoSuchAlgorithmException e) {

e.printStackTrace();

} catch (NoSuchPaddingException e) {

e.printStackTrace();

} catch (InvalidKeyException e) {

e.printStackTrace();

} catch (IllegalBlockSizeException e) {

e.printStackTrace();

}

return res;

}

Метод initKey() инициализирует пару ключей (открытый и закрытый), необходимую для шифровки и дешифровки сообщений. Описани метода представлено ниже:

/**

* Метод генерирует пару ключей, необходимую для

* дешифровки входящих сообщений.

private void initKeys() {

if(internalKeyPair == null) {

KeyPairGenerator generator;

try {

generator = KeyPairGenerator.getInstance(RSACipher.ALGORITHM);

generator.initialize(512);

internalKeyPair = generator.generateKeyPair();

} catch (NoSuchAlgorithmException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

5 Тестирование программы