Java 程序设计——登录系统

目录

• 并发型服务器
  • Client–server model
  • Request/Response model
  • 三层架构
• 登录系统设计
  • 客户端
  • 服务器
  • 数据库连接
• 客户端实现
  • UserBehaviorDAO 接口
  • UserBehavior 类
• 服务器实现
  • UserDao 类
  • UserImpl 类
• 数据封装
  • 操作码和分隔符
  • 数据加密
    • MD5Util 类
    • Base 64 加密
    • Base 64 解密
• MySQL 数据库
  • users 表
  • SQL 查询语句
    • selectUsername() 方法
    • checkUser() 方法
  • insertUser() 方法
  • deleteUser() 方法
  • updateUserPasswd() 方法
• Socket 实现
  • Socket
  • Client-Socket
    • UserClient 类
  • Server-Socket
    • Response 类
    • UserServer 类
• Customer 类
• GUI 设计
  • 登录界面
  • 注册用户界面
  • 密码修改界面
  • 销户界面
• 参考资料

并发型服务器#

博客展示的登录系统的服务器端，将实现重复型服务器。

Client–server model#

客户端-服务器模型(Client–server model)简称C/S结构，是一种网络架构。大部分网络应用程序在编写时都假设一端是客户，另一端是服务器，其目的是为了让服务器为客户提供一些特定的服务。可以将这种服务分为两种类型：重复型或并发型。重复型服务器通过以下步骤进行交互：

1. 等待一个客户请求的到来。
2. 处理客户请求。
3. 发送响应给发送请求的客户。
4. 返回第 1 步。

并发型服务器采用以下步骤：

1. 等待一个客户请求的到来。
2. 启动一个新的服务器来处理这个客户的请求。在这期间可能生成一个新的进程、任务或线程，并依赖底层操作系统的支持。这个步骤如何进行取决于操作系统。生成的新服务器对客户的全部请求进行处理。处理结束后，终止这个新服务器。
3. 返回第 1 步。

并发服务器的优点在于利用多线程来处理客户的请求，如果操作系统允许多任务，那么就可以同时为多个客户服务，本博客将实现并发型服务器。

Request/Response model#

请求/响应（Request/Response)模型一种通用的网络模型架构，该模型下永远都由客户端发起请求，由服务器进行响应并发送回响应报文。如果没有客户端进行请求或曾经请求过，那么服务器是无法将消息推送到客户端的。

三层架构#

本系统将基于三层架构实现，由表示层、逻辑层和存储层 3 层组成。表示层是应用的最高层，负责与用户进行交互，并将通信信息发送给逻辑层。逻辑层执行细节处理来控制应用的功能，连接到存储层。存储层则往往是数据库，用于检索并维护数据。

表示层向逻辑层发送请求，逻辑层对存储层完成检索和更新数据等操作，最后逻辑层根据存储层的数据对表示层进行响应。从概念上看，三层架构是一种线性关系。

登录系统设计#

登录系统由客户端和服务器 2 个部分组成。

客户端#

客户端需要接收用户输入的用户名和密码，然后将这 2 个信息发送给服务器。发送完毕之后等待服务器的响应信息，若在一定的时间内收到了服务器的响应，并且响应“操作成功”，则完成用户的登录操作。除了支持用户的登录操作，客户端还应该支持其他基于用户的操作，例如注册用户、密码修改和注销用户等。

• 修改密码和注销用户的操作，不能在登录前被调用，只能在登录之后。

服务器#

无论客户端是否启动，服务器应当保持启动的状态，并且持续监听分配给服务器的端口。当服务器收到客户端发送的数据时，服务器对数据进行处理并执行对应的操作。根据服务器的执行情况，若操作成功则向客户端通告操作成功，否则通告失败，接着继续 监听客户端发送的数据。

数据库连接#

用户名和密码信息将保存在数据库中，当服务器接收到客户端的数据时，将按照客户端请求的操作与数据库进行交互。根据客户端请求的方式不同，服务器与数据库交互时需要执行的操作为：

用户请求	数据库操作
注册	INSERT INTO
登录	SELECT
密码修改	UPDATE
用户注销	DELETE

客户端实现#

UserBehaviorDAO 接口#

由于客户端和服务器的交互方式不仅仅只有三层架构的实现方式，还可以实现多层架构等其他方式。此时服务器及其它层的动作对于客户端来说是不可见的，因此定义 UserBehaviorDAO 接口支持客户端和服务器的交互方式的更换。

Copy Highlighter-hljs
/**
* UserBehaviorDAO 接口指定了针对用户的行为
* @author 乌漆WhiteMoon 
* @version 1.0
*/
public interface UserBehaviorDAO {
	
	/**
	   * 这个方法将实现用户的注册操作
	   * @param username 用户名，String
	   * @param password 密码，String
	   * @return 操作是否成功，boolean
	   */
	  public static boolean registerUser(String username, String password) {
		return false;
	  }
	
	/**
	   * 这个方法将实现用户的改密码操作
	   * @param username 用户名，String
	   * @param password 密码，String
	   * @param new_password 新密码，String
	   * @return 操作是否成功，boolean
	   */
          public static boolean changePassword(String username, String password, String new_password) {
		return false;
	  }
    
       /**
	   * 这个方法将实现用户的登录操作
	   * @param username 用户名，String
	   * @param password 密码，String
	   * @return 操作是否成功，boolean
	   */
          public static boolean signIn(String username, String password) {
		return false;
	  }
    
        /**
	   * 这个方法将实现用户的销户操作
	   * @param username 用户名，String
	   * @param password 密码，String
	   * @return 操作是否成功，boolean
	   */
          public static boolean cancelUser(String username,String password) {
		return false;
	  }
}

UserBehavior 类#

UserBehavior 类是静态类，实现了 UserBehaviorDAO 接口，该类的 4 个方法将把数据传输给套接字进行和服务器的通信。

服务器实现#

UserDao 类#

由于服务器需要与数据库进行交互，而数据库应该作为一个可替换组件存在，因此定义 UserDao 接口指定了与数据库的交互行为。

Copy Highlighter-hljs
/**
* SqlActionDao 接口指定了与数据库的交互行为
* @author 乌漆WhiteMoon 
* @version 1.0
*/
public interface UserDao {
	
	/**
	   * 查找用户名是否已存在，用户注册时用
	   * @param username 被查找的用户名
	   * @return true为用户名不存在，false为用户名已存在
	 * @throws SQLException 数据库异常
	   */
	public static boolean selectUsername(String username) throws SQLException{
		return false;
	}
	
	/**
	   * 核对用户名和密码是否存在且匹配，用户登录和其他增删改操作时使用
	   * @param username 用户名
	   * @param password 密码
	   * @return true为用户名和密码存在且匹配，false为用户名或密码错误
	 * @throws SQLException 数据库异常
	   */
	public static boolean checkUser(String username, String password) throws SQLException{
		return false;
	}
	
	/**
	   * 向数据库插入一个uesr记录，注册操作时用，调用该方法前应使用selectUsername()方法检查
	   * @param username 用户名
	   * @param password 密码
	   * @return true为记录插入成功，false为插入失败
	 * @throws SQLException 数据库异常
	   */
	public static boolean insertUser(String username, String password) throws SQLException{
		return false;
	}
	
	/**
	   * 删除一条记录，注销用户时用，调用该方法前应使用checkUser()方法检查
	   * @param username 用户名
	   * @return true为删除成功，false删除失败
	 * @throws SQLException 数据库异常
	   */
	public static boolean deleteUser(String username) throws SQLException{
		return false;
	}
	
	/**
	   * 更新一个uesr的password字段，改密码操作时用，调用该方法前应使用checkUser()方法检查
	   * @param username 用户名
	   * @param new_password 新密码，用于替换原有的条目
	   * @return true为更换成功，false更换失败
	 * @throws SQLException 数据库异常
	   */
	public static boolean updateUserPasswd(String username, String new_password) throws SQLException{
		return false;
	}
}

UserImpl 类#

UserImpl 类是静态类，实现了 UserDao 接口，该类将连接到 MySQL 数据库进行对数据的操作。为了支持对数据库的连接，还需要 MysqlConnect 类完成连接操作。

数据封装#

操作码和分隔符#

客户端发送的有效载荷为一个字符串，该字符串由操作码、用户名和密码 3 个部分组成，3 个部分之间用 “+” 连接。

服务器接收到数据之后，将数据按照分隔符 “+” 进行分割。

Copy Highlighter-hljs
//分割明文，执行对应的操作
String result_set[] = result_decode.split("+");

通过操作码执行对应的操作，操作码和用户的请求的关系如下：

用户请求	数据库操作
1	注册
2	登录
3	密码修改
4	用户注销

• 改密码操作还需要传输新密码，因此“密码”部分的内容为 “password '+' newpassword”。

数据加密#

MD5Util 类#

MD5Util 类只有 getMD5Str() 方法，用于对传入的字符串进行 MD5 加密。MD5Util 类会被 UserBehavior 类调用，传输的用户名和密码都会进行 MD5 加密，从而保证这 2 者的安全性。

例如对用户名“张三”和密码“123456”调用 getMD5Str() 方法进行加密，输出结果为：

Copy Highlighter-hljs
615db57aa314529aaa0fbe95b3e95bd3
e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e

服务器的日志文件如下所示：

Base 64 加密#

即使对用户名和密码进行加密，攻击者仍然可能截取密文进行提交，为了保证安全性需要对整个有效载荷进行加密。UserClient 类的 sendRequest 方法使用 base64 加密，加密的代码为：

Copy Highlighter-hljs
//明文写入操作码，跟着用户名即密码
String Plaintext = actionCode + " " + username + " " + password;
//对明文进行 base64加密
String ciphertext = Base64.getEncoder().encodeToString(Plaintext.getBytes("utf-8"));

Base 64 解密#

服务器接收到数据之后要先对数据进行 Base 64 解密，解密的代码如下：

Copy Highlighter-hljs
DataInputStream in = new DataInputStream(server.getInputStream());
//将客户端传来的密文转成明文
String result_decode = new String(Base64.getDecoder().decode(in.readUTF()));

MySQL 数据库#

users 表#

数据库中的 users 表用于存储 MD5 加密后的用户名和密码，users 表的字段有。

下图是存储了 3 个用户信息的 users 表。

SQL 查询语句#

selectUsername() 方法#

这个方法将基于select查找用户名是否已存在，用户注册时用。

Copy Highlighter-hljs
SELECT username FROM users WHERE binary username = '%s';

checkUser() 方法#

这个方法将基于 select 核对用户名和密码是否存在且匹配，用户登录和其他增删改操作时使用.

Copy Highlighter-hljs
SELECT username,password FROM users WHERE binary username = '%s' AND password = '%s';

insertUser() 方法#

这个方法将基于 insert 向数据库插入一个 uesr 记录，注册操作时用，调用该方法前应使用
selectUsername() 方法检查。

Copy Highlighter-hljs
INSERT INTO users(username, password) values('%s','%s');

deleteUser() 方法#

这个方法将基于 delete 删除一条记录，注销用户时用，调用该方法前应使用 checkUser() 方法检查。

Copy Highlighter-hljs
"DELETE FROM users WHERE username = '%s';"

updateUserPasswd() 方法#

这个方法将基于 update 向更新一个 uesr 的 password 字段，改密码操作时用，调用该方法前应使用 checkUser() 方法检查。

Copy Highlighter-hljs
UPDATE users SET password='%s' WHERE username = '%s';

Socket 实现#

Socket#

不同端系统的进程是通过彼此之间向套接字发送报文来实现通信，套接字就好比是门禁，想要和应用程序进行通信需要先通过门禁的验证。同理也不是什么报文都能随意出门的，必须是得到允许的报文才会被送出门去。
为了连接主机，我们需要目标主机的 IP 地址，这样才能知道要发给哪个端系统，就像送信就一定要有收件人。但是由于一台主机上可能运行着好多个进程，需要指定一个端口号，令指定的进程接收分组。需要强调的是，我们自己写的端口需要避开 RFC 定义的协议，例如 HTTP 协议的端口号 80。

Client-Socket#

UserClient 类#

UserClient 类是基于请求响应模型的客户端套接字，该类应该在客户端被调用，只有 sendRequest() 发送报文一个方法。

Server-Socket#

Response 类#

本类的方法将接受套接字收到的数据，调用 SqlActionDao 接口执行对客户端请求的操作，操作完成后进行响应。

UserServer 类#

UserServer 类将继承 Thread 类，run() 方法将保持对分配给该进程的端口的监听，若接收到数据则调用 Response 类中的方法进行操作。

Customer 类#

用户登录之后，将会把登录的用户信息实例化一个 Customer 类。注意 Customer 类不会保存用户的密码，安全的做法是让用户执行改密码和注销操作时都额外提供一次密码。

Copy Highlighter-hljs
public class Customer {
	private final String username;
	private final String username_md5;
	private LinkedList<Emails> Inbox;    //收件箱
	private LinkedList<Emails> Outbox;    //发件箱
	
	/**
	   * 这个方法是customer对象的构造器
	   * @param username 用户名，String
	   * @return customer对象
	   */
	public Customer(String username) {
		this.username = username;
		this.username_md5 = MD5Util.getMD5Str(username);
	}
}

GUI 设计#

登录界面#

注册用户界面#

密码修改界面#

销户界面#

参考资料#

《计算机网络(第七版)》 谢希仁 著，电子工业出版社
《TCP/IP 详解 卷1：协议》[美]W.Richard Stevens 著，范建华 胥光辉 张涛 等译，谢希仁 校，机械工业出版社
《SQL注入攻击与防御（第2版）》 [美]Justin Clarke 著，施宏斌 叶愫 译，清华大学出版社
计算机网络：协议栈分层
应用层：HTTP 协议
HTTP请求/响应模型
Java DAO 模式
应用层：UDP 套接字编程
应用层：TCP 套接字编程
MySQL——SELECT
MySQL——增、删、改