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进阶向:基于Python的局域网聊天工具（端对端加密）

网友: 技术文档 2025-07-26 20:27:52

基于Python的局域网聊天工具（端对端加密）——从零开始实现

在现代互联网环境中，隐私和安全越来越受到重视。端对端加密（End-to-End Encryption, E2EE）技术可以确保只有通信的双方能够读取消息内容，即使是服务器也无法解密。本文将详细介绍如何用Python实现一个简单的局域网聊天工具，并为其添加端对端加密功能。

什么是端对端加密？

端对端加密是一种通信加密方式，消息在发送端加密后，只有接收端能够解密。中间的任何节点（如路由器、服务器等）都只能看到加密后的数据，无法获取原始消息内容。这种加密方式广泛应用于即时通讯工具中，如WhatsApp、Signal等。

项目概述

本项目将实现以下功能：

  • 基于Python的局域网聊天工具
  • 支持多客户端连接
  • 使用非对称加密（RSA）进行密钥交换
  • 使用对称加密（AES）加密通信内容
  • 简单的命令行界面
技术栈
  • 编程语言：Python 3.x
  • 网络库：socket、threading
  • 加密库：cryptography
  • 其他：argparse（参数解析）

核心模块解析

网络通信基础

局域网聊天工具的核心是网络通信。Python的socket库提供了低级别的网络接口，可以创建TCP或UDP连接。本项目中采用TCP协议，因为它能保证消息的可靠传输。

import socket# 创建TCP socketserver_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

TCP通信需要明确的客户端和服务器端。服务器监听特定端口，客户端主动连接服务器。在聊天工具中，每个用户既是客户端（发送消息）又是服务器（接收消息）。

多线程处理

为了实现同时接收和发送消息，需要使用多线程。Python的threading模块可以方便地创建和管理线程。

import threadingdef receive_messages(): while True: data = client_socket.recv(1024) print(f\"Received: {data.decode()}\")# 创建接收消息的线程receive_thread = threading.Thread(target=receive_messages)receive_thread.start()
加密实现

加密部分分为两个阶段：密钥交换和消息加密。

  1. 密钥交换：使用RSA非对称加密。每个用户生成自己的RSA密钥对，公开公钥，保存私钥。当两个用户通信时，他们交换公钥，然后用对方的公钥加密一个随机的AES密钥（会话密钥）。

  2. 消息加密：使用AES对称加密。一旦会话密钥安全交换，后续通信都使用这个密钥进行加密解密，因为对称加密比非对称加密效率高很多。

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, paddingfrom cryptography.hazmat.primitives import serialization, hashesfrom cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modesfrom cryptography.hazmat.backends import default_backendimport os# 生成RSA密钥对private_key = rsa.generate_private_key( public_exponent=65537, key_size=2048, backend=default_backend())public_key = private_key.public_key()# 生成AES密钥aes_key = os.urandom(32) # 256-bit key

详细实现步骤

1. 用户类设计

首先设计一个User类，包含用户的基本信息和加密相关操作。

class User: def __init__(self, name): self.name = name self.private_key = rsa.generate_private_key( public_exponent=65537, key_size=2048, backend=default_backend() ) self.public_key = self.private_key.public_key() self.peer_public_key = None self.aes_key = None def serialize_public_key(self): return self.public_key.public_bytes( encoding=serialization.Encoding.PEM, format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo ) def deserialize_public_key(self, key_bytes): self.peer_public_key = serialization.load_pem_public_key( key_bytes, backend=default_backend() )
2. 密钥交换协议

设计一个简单的协议来交换公钥和会话密钥：

  1. 连接建立后，双方交换RSA公钥
  2. 一方生成AES密钥，用对方的公钥加密后发送
  3. 对方收到后用私钥解密获取AES密钥
  4. 后续通信使用AES加密
def perform_key_exchange(user, conn, is_initiator): # 交换公钥 conn.sendall(user.serialize_public_key()) peer_key_bytes = conn.recv(4096) user.deserialize_public_key(peer_key_bytes) if is_initiator: # 生成并发送AES密钥 user.aes_key = os.urandom(32) encrypted_aes_key = user.peer_public_key.encrypt( user.aes_key, padding.OAEP( mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None ) ) conn.sendall(encrypted_aes_key) else: # 接收并解密AES密钥 encrypted_aes_key = conn.recv(4096) user.aes_key = user.private_key.decrypt( encrypted_aes_key, padding.OAEP( mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None ) )
3. 消息加密解密

实现AES加密解密功能：

def encrypt_message(key, message): iv = os.urandom(16) # 初始向量 cipher = Cipher( algorithms.AES(key), modes.CFB(iv), backend=default_backend() ) encryptor = cipher.encryptor() ciphertext = encryptor.update(message.encode()) + encryptor.finalize() return iv + ciphertext def decrypt_message(key, ciphertext): iv = ciphertext[:16] cipher = Cipher( algorithms.AES(key), modes.CFB(iv), backend=default_backend() ) decryptor = cipher.decryptor() plaintext = decryptor.update(ciphertext[16:]) + decryptor.finalize() return plaintext.decode()
4. 服务器和客户端实现

将上述功能整合到服务器和客户端代码中：

def start_server(port): user = User(\"Server\") with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s: s.bind((\'0.0.0.0\', port)) s.listen() conn, addr = s.accept() perform_key_exchange(user, conn, False) # 启动接收消息线程 def receive(): while True: data = conn.recv(4096) if not data: break message = decrypt_message(user.aes_key, data) print(f\"Received: {message}\") threading.Thread(target=receive, daemon=True).start() # 发送消息 while True: message = input(\"> \") encrypted = encrypt_message(user.aes_key, message) conn.sendall(encrypted)def start_client(host, port): user = User(\"Client\") with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s: s.connect((host, port)) perform_key_exchange(user, s, True) # 启动接收消息线程 def receive(): while True: data = s.recv(4096) if not data: break message = decrypt_message(user.aes_key, data) print(f\"Received: {message}\") threading.Thread(target=receive, daemon=True).start() # 发送消息 while True: message = input(\"> \") encrypted = encrypt_message(user.aes_key, message) s.sendall(encrypted)

完整源代码

import socketimport threadingimport argparsefrom cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, paddingfrom cryptography.hazmat.primitives import serialization, hashesfrom cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modesfrom cryptography.hazmat.backends import default_backendimport osclass User: def __init__(self, name): self.name = name self.private_key = rsa.generate_private_key( public_exponent=65537, key_size=2048, backend=default_backend() ) self.public_key = self.private_key.public_key() self.peer_public_key = None self.aes_key = None def serialize_public_key(self): return self.public_key.public_bytes( encoding=serialization.Encoding.PEM, format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo ) def deserialize_public_key(self, key_bytes): self.peer_public_key = serialization.load_pem_public_key( key_bytes, backend=default_backend() )def encrypt_message(key, message): iv = os.urandom(16) cipher = Cipher( algorithms.AES(key), modes.CFB(iv), backend=default_backend() ) encryptor = cipher.encryptor() ciphertext = encryptor.update(message.encode()) + encryptor.finalize() return iv + ciphertext def decrypt_message(key, ciphertext): iv = ciphertext[:16] cipher = Cipher( algorithms.AES(key), modes.CFB(iv), backend=default_backend() ) decryptor = cipher.decryptor() plaintext = decryptor.update(ciphertext[16:]) + decryptor.finalize() return plaintext.decode()def perform_key_exchange(user, conn, is_initiator): conn.sendall(user.serialize_public_key()) peer_key_bytes = conn.recv(4096) user.deserialize_public_key(peer_key_bytes) if is_initiator: user.aes_key = os.urandom(32) encrypted_aes_key = user.peer_public_key.encrypt( user.aes_key, padding.OAEP( mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None ) ) conn.sendall(encrypted_aes_key) else: encrypted_aes_key = conn.recv(4096) user.aes_key = user.private_key.decrypt( encrypted_aes_key, padding.OAEP( mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()), algorithm=hashes.SHA256(), label=None ) )def start_server(port): user = User(\"Server\") with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s: s.bind((\'0.0.0.0\', port)) s.listen() print(f\"Server listening on port {port}\") conn, addr = s.accept() print(f\"Connected by {addr}\") perform_key_exchange(user, conn, False) def receive(): while True: data = conn.recv(4096) if not data: break message = decrypt_message(user.aes_key, data) print(f\"Received: {message}\") threading.Thread(target=receive, daemon=True).start() while True: message = input(\"> \") encrypted = encrypt_message(user.aes_key, message) conn.sendall(encrypted)def start_client(host, port): user = User(\"Client\") with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s: s.connect((host, port)) perform_key_exchange(user, s, True) def receive(): while True: data = s.recv(4096) if not data: break message = decrypt_message(user.aes_key, data) print(f\"Received: {message}\") threading.Thread(target=receive, daemon=True).start() while True: message = input(\"> \") encrypted = encrypt_message(user.aes_key, message) s.sendall(encrypted)if __name__ == \"__main__\": parser = argparse.ArgumentParser(description=\"Secure LAN Chat\") parser.add_argument(\"-s\", \"--server\", action=\"store_true\", help=\"Run as server\") parser.add_argument(\"-c\", \"--client\", action=\"store_true\", help=\"Run as client\") parser.add_argument(\"--host\", type=str, default=\"localhost\", help=\"Server host\") parser.add_argument(\"--port\", type=int, default=12345, help=\"Port number\") args = parser.parse_args() if args.server: start_server(args.port) elif args.client: start_client(args.host, args.port) else: print(\"Please specify --server or --client\")

使用说明

  1. 在一台机器上运行服务器：

    python chat.py --server --port 12345

  2. 在另一台机器上运行客户端（确保在同一局域网）：

    python chat.py --client --host  --port 12345

  3. 开始聊天，输入的消息会自动加密传输

安全注意事项

  1. 本项目仅用于学习目的，不应用于生产环境
  2. 实际应用中需要更完善的密钥管理和身份验证机制
  3. 加密实现使用了cryptography库，这是Python中比较可靠的加密库
  4. 确保Python环境是最新版本，避免已知的安全漏洞

通过这个项目，您可以学习到网络编程、多线程、加密算法等多项技术。希望这篇教程能帮助您理解端对端加密的基本原理和实现方法。

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