基于Flutter与Python的安全即时通信系统设计与实现

本文详细介绍了基于Flutter和Python构建安全即时通信系统的设计与实现过程，重点阐述了如何运用AES加密算法保障消息传输的机密性和完整性。

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  • 软件开发
  • 网络安全

安全的即时通信系统

1 系统设计

1.1设计目标

本项目旨在实现一个安全的即时通信系统，主要关注点包括信息的加密传输、信息完整性的保障以及用户的隐私保护。系统的主要特点是：

新用户注册与登录功能，用户身份的安全验证，信息加密传输，采用公钥和对称密钥结合，密钥管理功能，信息完整性的校验，用户管理功能。

1.2信息要求

用户注册与登录： 系统应允许新用户创建账户，并提供登录功能。注册过程中应收集必要的信息，如用户名、密码、电子邮件等。密码应通过哈希等安全手段存储。

即时消息交换： 用户应能够实时发送和接收文本消息。系统应支持多种消息类型，如文本、图片、文件等。

1.3开发和运行环境选择

开发语言： 前台开发语言为Flutter/Dart以及React+mui + 后台python-Flask框架

开发工具：andriodStudio，pycharm

后台数据库：Mysql

运行环境： MacOS操作系统，ios系统

2 网络安全相关设计

2.1网络安全相关原理论述

在即时通信系统中，网络安全是至关重要的。本系统采用高级加密标准（AES）进行数据加密，以保证信息的机密性和完整性。AES是一种广泛使用的对称加密算法，提供了强大的安全性。下面是一些关键概念：

对称加密： 在对称加密中，相同的密钥用于加密和解密数据。这意味着发送方和接收方必须共享同一个密钥。

AES密钥： AES密钥是一个特定长度的位序列，用于AES加密算法。在我们的系统中，密钥将被动态生成，并且在每次会话开始时更新。

传输向量（IV）： 初始化向量（IV）是AES加密中使用的一个随机数，用于保证即使相同的数据被加密多次，每次生成的密文也是不同的。这提高了安全性，因为它防止了某些类型的攻击。

密钥交换： 由于AES是对称加密，因此需要安全地传输密钥。我们的系统将采用密钥交换协议来安全地共享密钥。

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2.2相应功能概要设计

AES 密钥相关功能设计

功能描述
AES密钥生成系统将动态生成AES密钥。每次用户会话开始时，都会生成一个新的密钥，以确保通信的安全性。
传输向量每个加密的消息都会附带一个传输向量，以确保即使相同的消息被重复加密，也会产生不同的密文。
加密过程使用生成的AES密钥和传输向量对用户的信息进行加密，确保在传输过程中信息的机密性。
解密过程接收方使用相同的AES密钥和传输向量对收到的信息进行解密，以还原原始消息。
密钥和IV管理密钥和初始化向量不在服务器上存储，且每次打开页面都会重新生成，增加了系统的安全性。

3AES加密系统（AES密钥模块）详细设计

3.1 AES密钥传输过程：

AES密钥传输流程图

3.2 AES密钥使用过程:密钥使用过程(加密解密)

3.3 AES模块代码

3.3.1AES密钥生成

获取好友的对话密钥，如果不存在则生成



// 生成 AES 密钥
  Uint8List _generateAESKey() {
    var secureRandom = SecureRandom("Fortuna")..seed(KeyParameter(Uint8List(32)));
    var key = Uint8List(16); // 128位
    for (int i = 0; i < key.length; i++) {
      key[i] = secureRandom.nextUint8();
    }
    return key;
  }

  // 获取或生成 AES 密钥
  Future<Uint8List> getOrGenerateAESKey(int friendId) async {
    if (_aesKeys.containsKey(friendId)) {
      return _aesKeys[friendId]!;
    } else {
      var aesKey = _generateAESKey();
      _aesKeys[friendId] = aesKey;
      await _storage.write(key: 'aes_key_$friendId', value: base64.encode(aesKey));

      print("已生成AESK：");
      print(aesKey);
      return aesKey;
    }
  }

3.3.2密钥传输

1. 从PEM中解析RSA公钥
  • 先消除PEM格式：
List<int> decodePEM(String pem) {
    // 去除PEM字符串中的头部和尾部，以及换行符
    var startsWith = [
      '-----BEGIN PUBLIC KEY-----',
      '-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----'
    ];
    var endsWith = [
      '-----END PUBLIC KEY-----',
      '-----END RSA PUBLIC KEY-----'
    ];

    bool isOpenPgp = pem.contains('-----BEGIN PGP PUBLIC KEY BLOCK-----');
    if (isOpenPgp) {
      startsWith.add('-----BEGIN PGP PUBLIC KEY BLOCK-----');
      endsWith.add('-----END PGP PUBLIC KEY BLOCK-----');
    }


    pem = pem.replaceAll('\r\n', '').replaceAll('\r', '').replaceAll('\n', '');

    String? start;
    for (String s in startsWith) {
      if (pem.startsWith(s)) start = s;
    }

    String? end;
    for (String s in endsWith) {
      if (pem.endsWith(s)) end = s;
    }

    if (start == null || end == null) {
      throw Exception('Invalid PEM');
    }

    pem = pem.substring(start.length, pem.length - end.length);

    // 将Base64字符串解码为二进制数据
    return base64.decode(pem);
  }
  • 得到字符串之后再提取RSA公钥：
RSAPublicKey parsePublicKeyFromPem(String pemString) {
    // 解码PEM字符串以获取二进制数据
    final publicKeyDER = Uint8List.fromList(decodePEM(pemString));

    // 解析ASN.1结构
    var asn1Parser = ASN1Parser(publicKeyDER);
    var topLevelSeq = asn1Parser.nextObject() as ASN1Sequence;

    // 确保序列包含至少两个元素（模数和指数）
    if (topLevelSeq.elements.length < 2) {
      throw Exception('Invalid ASN.1 sequence length');
    }

    var modulus = topLevelSeq.elements[0] as ASN1Integer;
    var exponent = topLevelSeq.elements[1] as ASN1Integer;

    // 创建RSAPublicKey对象
    return RSAPublicKey(modulus.valueAsBigInteger!, exponent.valueAsBigInteger!);
}

2. 传输密钥

  • 使用RSA进行加密，发送AES密钥
Uint8List convertStringToUint8List(String str) {
    // 去除字符串两端的方括号，并分割字符串
    var parts = str.substring(1, str.length - 1).split(',');

    // 将分割得到的字符串数组转换为int数组
    List<int> intList = parts.map((part) => int.parse(part.trim())).toList();

    // 使用int数组创建Uint8List
    return Uint8List.fromList(intList);
  }

  Future<String> encryptMessage(String message, String publicKeyPem) async {
    final publicKey = parsePublicKeyFromPem(publicKeyPem);
    final encrypter = en.Encrypter(en.RSA(publicKey: publicKey));

    final encrypted = encrypter.encrypt(message);
    return encrypted.base64;
  }

void sendKey(String message) async {
    // 等待获取好友的公钥
    String publicKey = await getFriendPublicKey(widget.friendId);
    // Encrypt the key
    String encryptedKey = await encryptMessage(message, publicKey);
    print("打印密钥: $message");

    print("打印密文");
    print(encryptedKey);
    // Send the encrypted key to the backend
    http.post(
      Uri.parse('http://localhost:5000/send_message'),
      headers: <String, String>{
        'Content-Type': 'application/json; charset=UTF-8',
      },
      body: jsonEncode(<String, dynamic>{
        'sender_id': widget.userId,
        'receiver_id': widget.friendId,
        'message': encryptedKey,
        'type': 'AESkey',
      }),
    );

    print("AESKey 已发送");

    // 将AES密钥保存在发送者的本地
    Uint8List aesKey = convertStringToUint8List(message);  // 假设 message 是 Uint8List 格式的密钥
    _userProvider.saveAESKeyForUser(widget.friendId, aesKey);

    print("密钥已经保存！！！");
  }

3. 信息加密

  • 之后发送信息使用AES密钥加密。
void sendMessage() async{
    final text = _messageController.text;
    if (text.isNotEmpty) {
      final newMessage = Message(content: text, isUserMessage: true);
      setState(() {
        messages.add(newMessage);
      });
      _messageController.clear();

      var aesKey = await Provider.of<UserProvider>(context, listen: false).getOrGenerateAESKey(widget.friendId);


      print("加密时候用的aes密钥：$aesKey");
      // 生成随机的 IV
      var iv = createSecureRandom().nextBytes(16);

      print("加密时候的初始向量：$iv");

      // 加密消息，并将 IV 附加到密文前面
      var encryptedMessage = base64.encode(iv) + base64.encode(encryptWithAES(text, aesKey, iv));


      Future.delayed(Duration(seconds: 2), () {
        if (mounted) {
          setState(() {
            newMessage.status = MessageStatus.sent;
          });
        }
      }).catchError((error) {
        if (mounted) {
          setState(() {
            newMessage.status = MessageStatus.failed;
          });
        }
      });
// 发送消息到后端
      http.post(
        Uri.parse('http://localhost:5000/send_message'),
        headers: <String, String>{
          'Content-Type': 'application/json; charset=UTF-8',
        },
        body: jsonEncode(<String, dynamic>{
          'sender_id': widget.userId,
          'receiver_id': widget.friendId,
          'message': encryptedMessage,
          'type':'message',
        }),
      );
      _scrollToBottom();
    }
  }

AES传输结果：

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4 系统测试

点击软件聊天界面，观察是否有信息发送，且信息是否被正确加密解密

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