邢海峰

(內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)計(jì)算機(jī)信息管理學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050)

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的普及，人們工作學(xué)習(xí)基本均可通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助完成，而大量的工作學(xué)習(xí)資料和成果將以虛擬數(shù)字資料的形式保存，這對(duì)提高人們的工作學(xué)習(xí)效率、節(jié)約工作學(xué)習(xí)成本有較大的幫助，但其也帶來(lái)了諸多負(fù)面影響，如非法入侵、信息泄露、未授權(quán)使用計(jì)算機(jī)等，所以計(jì)算機(jī)安全成為數(shù)字化時(shí)代面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。

基于此，本文提出了一種基于Socket數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)屏幕加解鎖的無(wú)線控制程序設(shè)計(jì)方法，該程序是為了幫助提高個(gè)人計(jì)算機(jī)安全性，允許使用者通過(guò)個(gè)人手機(jī)來(lái)完成對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)屏幕的鎖屏及解鎖控制。這不但有效地防止了外人對(duì)他人計(jì)算機(jī)的非法使用，保證個(gè)人信息安全，同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)的主人在無(wú)線局域網(wǎng)覆蓋的任何位置均可方便的控制計(jì)算機(jī)，所以計(jì)算機(jī)控制不受空間的約束，為使用者帶來(lái)便利。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 框架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的控制程序主要利用Android平臺(tái)作為控制端，通過(guò)WiFi方式接收信息并傳送進(jìn)入局域網(wǎng)，然后通過(guò)局域網(wǎng)將信號(hào)傳遞到受控端的PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)屏幕加鎖及解鎖控制。控制程序原理框架如圖1所示。

圖1 控制程序原理框架圖

由控制程序原理框架圖可知，該程序有兩部分:移動(dòng)客戶端實(shí)現(xiàn)接收用戶控制信息;被控端接收用戶發(fā)送控制信息。被控信息傳輸過(guò)程為:移動(dòng)終端發(fā)送控制信息到無(wú)線路由器，無(wú)線路由器接收控制信息并路由，控制信息通過(guò)局域網(wǎng)傳送到被控計(jì)算機(jī)。

由于Android移動(dòng)平臺(tái)隨處可得，常見(jiàn)的如用戶手中的Android手機(jī)就是最佳選擇，所以將用戶的手機(jī)作為客戶端即經(jīng)濟(jì)又不影響便攜性，則可將客戶端的控制程序部署到用戶的手機(jī)中，而被控計(jì)算機(jī)端可以開(kāi)發(fā)部署一個(gè)負(fù)責(zé)接受、解析客戶端信息，然后根據(jù)解析信息來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶控制意圖的服務(wù)端程序即可。因?yàn)橛脩艨刂朴?jì)算機(jī)數(shù)量不一定是1臺(tái)，有可能工作中需要兩臺(tái)或以上同時(shí)工作，為保證多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)得到控制，可采用基于UDP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)方式的Socket技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)傳輸?？刂瞥绦驑I(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 控制程序業(yè)務(wù)流程

1.2 核心技術(shù)

1.2.1 Socket套接字

Socket［1］也稱(chēng)為“套接字”，應(yīng)用程序通過(guò)“套接字”向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。Socket有兩種實(shí)現(xiàn)方式，即流式Socket(SOCK_STREAM)和數(shù)據(jù)報(bào)式Socket(SOCK_DGRAM)。流式是一種面向連接的Socket，針對(duì)于面向連接的TCP服務(wù)應(yīng)用，一般多用于實(shí)現(xiàn)可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸;數(shù)據(jù)報(bào)式Socket是一種面向無(wú)連接的UDP服務(wù)應(yīng)用，通常多用在實(shí)現(xiàn)具有廣播功能的數(shù)據(jù)傳輸。

因在實(shí)際工作學(xué)習(xí)中可能出現(xiàn)一個(gè)用戶同時(shí)使用多臺(tái)計(jì)算機(jī)的情況，所以計(jì)算機(jī)屏幕加解鎖控制程序要實(shí)現(xiàn)客戶終端到被控設(shè)備的一對(duì)多數(shù)據(jù)傳輸，所以最佳的“套接字”傳輸方式應(yīng)為非面向連接的數(shù)據(jù)報(bào)“套接字”。非面向連接的數(shù)據(jù)報(bào)“套接字”傳輸數(shù)據(jù)的工作過(guò)程無(wú)需建立可靠連接，因此數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程要比面向連接少一個(gè)建立連接的環(huán)節(jié)，客戶端僅需要向被控服務(wù)端直接發(fā)送信息即可。

由于服務(wù)端程序除了要負(fù)責(zé)接收客戶端通過(guò)Socket發(fā)來(lái)的控制信息之外，更重要的是還需要根據(jù)控制信息實(shí)現(xiàn)對(duì)被控服務(wù)端的屏幕鎖屏及解鎖操作，而實(shí)現(xiàn)屏幕加解屏必須重寫(xiě)Windons系統(tǒng)的相應(yīng)鉤子函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件層的屏蔽工作，則選擇C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)服務(wù)端程序。在C語(yǔ)言中提供了數(shù)據(jù)報(bào)方式Socket［2］的接口函數(shù)及Socket數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)，它們被定義在winsock.h或winsock2.h頭文件中。

客戶端是Android平臺(tái)的手機(jī)，所以使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)較方便。在Java中對(duì)兩種方式的Socket［3］均提供了支持。Java中用于支持流式Socket有Socket和ServerSocket類(lèi)，Socket類(lèi)為客戶端提供全部接口，ServerSocket類(lèi)為服務(wù)端提供全部接口。Java用于支持?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)方式的Socket被封裝在DatagramSocket類(lèi)中，同時(shí)提供了DatagramPacket類(lèi)來(lái)封裝Socket數(shù)據(jù)。

需要注意的是，由于客戶端和服務(wù)端實(shí)現(xiàn)Socket的語(yǔ)言不同，而不同語(yǔ)言在獲取Socket數(shù)據(jù)的類(lèi)型可能存在差異，所以當(dāng)發(fā)送接收數(shù)據(jù)時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些必要的類(lèi)型處理。

1.2.2 屏幕加解鎖原理

屏幕加鎖是通過(guò)屏蔽系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸入外設(shè)的輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論上有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)功能:(1)直接修改處理器內(nèi)部負(fù)責(zé)管理輸入中斷的寄存器值，將管理外部輸入設(shè)備的中斷位屏蔽，使硬件系統(tǒng)不能得到外部中斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鎖屏功能。(2)不修改任何硬件寄存器值，僅是通過(guò)一些軟件技術(shù)，使操作系統(tǒng)忽略外設(shè)的輸入中斷請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)鎖屏的功能。由于實(shí)現(xiàn)鎖屏功能時(shí)，操作系統(tǒng)已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)，其會(huì)通過(guò)自身定義的安全策略對(duì)底層的硬件加以保護(hù)，所以要采用直接修改硬件寄存器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖屏難度較大。再者，即使能夠突破操作系統(tǒng)的保護(hù)直接修改硬件寄存器值，對(duì)系統(tǒng)本身的安全性也是一種潛在威脅，所以第2種是較好的選擇方案。而解鎖功能與加鎖正好相反。

Windows系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就為高級(jí)用戶預(yù)留了一項(xiàng)稱(chēng)為鉤子［4－5］的功能，用戶可通過(guò)調(diào)用鉤子安裝函數(shù)SetWindowsHookEx將自己實(shí)現(xiàn)的鉤子掛到Windows系統(tǒng)中。正是通過(guò)自身定義的鉤子函數(shù)，無(wú)論是系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)維護(hù)人員，還是系統(tǒng)高級(jí)外圍程序員均可完成一些能夠影響系統(tǒng)的行為工作。如本文要實(shí)現(xiàn)的加減鎖控制程序便可使用Windows的鉤子來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Windows中鉤子的實(shí)現(xiàn)有兩種方式:內(nèi)部鉤子、全局鉤子。內(nèi)部鉤子只能影響當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程行為，而全局鉤子可影響所有運(yùn)行進(jìn)程，但全局鉤子實(shí)現(xiàn)需要采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)方式，所以在本文所實(shí)現(xiàn)的服務(wù)端程序的核心鎖屏及解鎖功能要以動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的方式連接到主程序中。

分析了所使用的加鎖及解鎖技術(shù)原理后，為了提高控制程序自身的安全性，防止非法用戶通過(guò)使用用戶手機(jī)來(lái)控制用戶計(jì)算機(jī)，提出一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)保證控制程序的安全性。

首先，服務(wù)端程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)需要用戶輸入一組密碼，該密碼的生存期從輸入結(jié)束開(kāi)始，到服務(wù)端程序結(jié)束終止;其次，當(dāng)用戶需要啟動(dòng)手機(jī)客戶端程序控制計(jì)算機(jī)時(shí)，需要用戶提供服務(wù)端密碼。當(dāng)用戶提供了正確的密碼，客戶端程序會(huì)將密碼和控制信號(hào)封裝發(fā)送到服務(wù)端;服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)后，按照數(shù)據(jù)封裝順序解析密碼和控制信號(hào)，根據(jù)密碼驗(yàn)證身份，身份正確后執(zhí)行相應(yīng)的屏幕控制行為。數(shù)據(jù)封裝及解析過(guò)程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)封裝及解析

1.2.3 Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)原理

(1)Android應(yīng)用程序組成。Android應(yīng)用程序是由組件組成，而組件是可調(diào)用的基本功能模塊。Android系統(tǒng)有4 個(gè)重要組件分別是［6］:Activity、Service、BroadcaseReceiver和ContentProvider;Activity是Android程序的呈現(xiàn)層，顯示可視化的用戶界面，并接收與用戶交互所產(chǎn)生的界面事件;Service用于沒(méi)有用戶界面，但需要長(zhǎng)時(shí)間在后臺(tái)運(yùn)行的應(yīng)用;ContentProvider是Android系統(tǒng)提供的一種標(biāo)準(zhǔn)的共享數(shù)據(jù)的機(jī)制，應(yīng)用程序可通過(guò)ContentProvider訪問(wèn)其他應(yīng)用程序存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中的文件，也可以是SQLite中數(shù)據(jù)庫(kù)的私有數(shù)據(jù);Broadcase-Receiver是用于接受并響應(yīng)廣播消息的組件，不包含任何用戶界面，可通過(guò)啟動(dòng)Activity或Notification通知用戶接收到重要信息。

(2)組件生命周期。所有Android組件都具有自己的生命周期［7］，是從組件建立到組件銷(xiāo)毀的整個(gè)過(guò)程。在生命周期中，組件會(huì)在可見(jiàn)、不可見(jiàn)、活動(dòng)、非活動(dòng)等狀態(tài)中不斷變化。介紹控制系統(tǒng)中使用的Activity生命周期，如圖4所示。

圖4 Activity生命周期

Activity生命周期指Activity從啟動(dòng)到銷(xiāo)毀的過(guò)程，Activity表現(xiàn)為4種狀態(tài)，分別是活動(dòng)狀態(tài)、暫停狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)和非活動(dòng)狀態(tài)。

活動(dòng)狀態(tài):Activity在用戶界面中處于最上層，用戶可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)用戶交互。

暫停狀態(tài):Activity在界面上被部分遮擋，該Activity不再處于用戶界面的最上層，且不能夠與用戶進(jìn)行交互。

停止?fàn)顟B(tài):Activity在界面上完全不能被用戶看到，也就是說(shuō)這個(gè)Activity被其他Activity全部遮擋。

非活動(dòng)狀態(tài)不在以上3種狀態(tài)中的Activity則處于非活動(dòng)狀態(tài)。

(3)組件的回調(diào)函數(shù)。Android系統(tǒng)的Activity組件提供了7個(gè)回調(diào)函數(shù)來(lái)控制該組件的創(chuàng)建、狀態(tài)變化及銷(xiāo)毀，分別為 onCreate、onStart、onRestart、onResume、onPause、onStop、onDestroy。

(4)Android應(yīng)用程序間消息傳遞。Android系統(tǒng)中采用稱(chēng)為意圖的Intent類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用程序間的信息傳遞。Intent［8］可劃分為顯式意圖和隱式意圖兩種。顯式意圖:調(diào)用Intent.setComponent()或Intent.setClass()方法指定組件名或類(lèi)對(duì)象。隱式意圖:Android系統(tǒng)會(huì)根據(jù)隱式意圖中設(shè)置的動(dòng)作(Action)、類(lèi)別(Category)、數(shù)據(jù)(URI和數(shù)據(jù)類(lèi)型)找到最合適的組件來(lái)處理這個(gè)意圖。

2 程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 客戶端實(shí)現(xiàn)

客戶端功能由Java語(yǔ)言封裝的控制主類(lèi)MainActivity來(lái)實(shí)現(xiàn)，主類(lèi)繼承了Android組件Activity。

客戶端主控制類(lèi)MainActivity中使用的MangicPackage類(lèi)封裝了數(shù)據(jù)報(bào)Socket的操作。

public class MangicPackage{

public boolean sendMessages(String str)throws IOException{

int port=9999;//端口號(hào)大于1024

String destIP=“255.255.255.255”;//廣播地址

//檢測(cè)地址，并將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制

InetAddress destHost=null;

try{destHost=InetAddress.getByName(destIP);

}

catch(UnknownHostException e){e-.printStackTrace();}

//建立Socket數(shù)據(jù)包

byte［］magicBytes=str.getBytes();

DatagramPacket dp=null;

dp=new DatagramPacket(magicBytes，magicBytes.length，destHost，port);

DatagramSocket ds=new DatagramSocket();

ds.send(dp);//發(fā)送數(shù)據(jù)

ds.close();//關(guān)閉 Socket

return true;

}

}

2.2 服務(wù)端實(shí)現(xiàn)

服務(wù)端程序主要任務(wù)有兩個(gè)，首先利用Socket來(lái)監(jiān)聽(tīng)客戶端的控制信息，然后解碼信息，根據(jù)解碼信息來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖屏或解屏操作。采用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)方式實(shí)現(xiàn)全局鉤子，鉤子中完成鎖屏及解屏。

HHOOK hKey=NULL;//保存鍵盤(pán)消息鉤子句柄

HHOOK hMouse=NULL;//保存鼠標(biāo)消息鉤子句柄

HINSTANCE hInst=NULL;

BOOL WINAPI DllMain(HINSTANCE hInstance，DWORD reason，LPVOID lpVoid)

{hInst=hInstance;

return true;

}

//屏蔽鼠標(biāo)的鉤子

LRESULT CALLBACK MouseProc(int nCode，WPARAM wParam，LPARAM wParam)

{

if(nCode＜0)//wParam和wParam中沒(méi)有關(guān)于鼠標(biāo)的消息

return CallNextHookEx(hMouse，nCode，wParam，lParam);

//屏蔽鼠標(biāo)右鍵按下及彈起信息

if(wParam==WM_RBUTTONDOWN||wParam==WM_RBUTTONUP)

return 1;

//屏蔽鼠標(biāo)移動(dòng)

if(wParam==WM_MOUSEMOVE)

return 1

//屏蔽鼠標(biāo)左鍵按下及彈起信息

if(wParam==WM_LBUTTONDOWN||wParam==WM_LBUTTONUP)

return 1;

else

return CallNextHookEx(hMouse，nCode，wParam，lParam);

}

//屏蔽鍵盤(pán)鉤子

LRESULT CALLBACK KeyBoardProc(int nCode，WPARAM wParam，LPARAM lParam)

{

if(VK_F2==wParam ＆＆ (lParam ＞ ＞29＆1)==1)

{

UnhookWindowsHookEx(hMouse);hMouse=NULL;

UnhookWindowsHookEx(hKey);hKey=NULL;

}

return 1;

}

//掛載鉤子

EXPORT BOOL CALLBACK HookOn()

{

if(!hInst)

return false;

if(hKey||hMouse)

return false;

//函數(shù)的第四個(gè)參數(shù)為0，表示全局鉤子

hMouse=SetWindowsHookEx(WH_MOUSE_LL，MouseProc，hInst，0);

hKey=SetWindowsHookEx(WH_KEYBOARD_LL，KeyBoardProc，hInst，0);

return hKey＆＆ hMouse;

}

//卸載鉤子

EXPORT BOOL CALLBACK HookOff()

{

BOOL bRetMouse=false，bRetKey=false;

if(hMouse)

bRetMouse = UnhookWindowsHookEx(hMouse);

if(hKey)

bRetKey=UnhookWindowsHookEx(hKey);

if(bRetKey＆＆ bRetMouse)

{

hKey=hMouse=NULL;

return true;

}

return false;}

注意鎖鍵盤(pán)鉤子，本文特意留出解鎖后門(mén)，防止因不可預(yù)料意外導(dǎo)致屏幕無(wú)法解鎖，后門(mén)熱鍵是“Alt+F2”，當(dāng)然可設(shè)為任意。把動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件編譯生成dll文件，然后拷貝到服務(wù)端主控程序的目錄中，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)服務(wù)端主控程序，主控程序核心控制功能通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)線程ControlThread來(lái)處理。

void ControlThread(HINSTANCE hInstance)

{TCHAR Tmp［256］=“”;

char ctrl;

WSADATA wWsadata;

WORD wWord;

wWord=MAKEWORD(1，1);

if(!WSAStartup(wWord，＆wWsadata))//裝載指定Socket

{//創(chuàng)建數(shù)據(jù)報(bào)SOCKET

SOCKET sock;

if((sock=socket(AF_INET，SOCK_DGRAM，0))!=INVALID_SOCKET)

{//本地地址與端口綁定

SOCKADDR_IN addr;

addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//轉(zhuǎn)換本地地址格式

addr.sin_family=AF_INET;

addr.sin_port=htons(9999);//端口號(hào)大于1024

//綁定

bind(sock，(SOCKADDR*)＆addr，sizeof(SOCKADDR));

SOCKADDR_IN addrClient;//收到數(shù)據(jù)后，存儲(chǔ)客戶端的地址

int len=sizeof(SOCKADDR);

while(1)

{//接收數(shù)據(jù)開(kāi)始，buf是定義的全局字符串變量

recvfrom(sock，buf，RECVLEN，0，(SOCKADDR*)＆addrClient，＆len);

int len=strlen(buf);

strcpy(Tmp，buf);

ctrl=Tmp［len－1］;

switch(ctrl)

{case‘1’:if(屏幕沒(méi)有鎖)HookOn();

break;

case‘2’:if(屏幕被鎖)HookOff();

break;

}

}

closesocket(sock);

WSACleanup();

}//卸載 Socket

}}

3 程序部署測(cè)試

3.1 程序部署

手機(jī)客戶端:首先確定手機(jī)Android平臺(tái)版本為2.3或以上，因客戶端程序開(kāi)發(fā)基于Android 2.3版本的開(kāi)發(fā)包，然后下載該系統(tǒng)客戶端生成的apk文件，直接點(diǎn)擊安裝即可?？蛻舳顺绦虬惭b及運(yùn)行如圖4所示。

圖4 客戶端界面

PC服務(wù)端:將C語(yǔ)言編寫(xiě)的主程序編譯的可執(zhí)行程序和主程序調(diào)用的全局鉤子動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)dll文件一同復(fù)制到C盤(pán)根目錄下即可。然后點(diǎn)擊啟動(dòng)主程序，服務(wù)端程序處于接收客戶端信號(hào)狀態(tài)。服務(wù)端程序運(yùn)行如圖5所示。

圖5 服務(wù)端程序界面

3.2 程序測(cè)試

首先保證局域網(wǎng)當(dāng)中的無(wú)線WiFi暢通，打開(kāi)手機(jī)的無(wú)線連接且查驗(yàn)連接成功，然后啟動(dòng)PC端的服務(wù)程序，最后打開(kāi)手機(jī)終端的控制程序，進(jìn)入控制頁(yè)面。該控制程序在Android 2.3及以上版本手機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，全部可以正常使用，具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)據(jù)報(bào)Socket數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)支撐下，使用C和Java兩種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言共同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線控制的屏幕加解鎖程序。該程序既能有效防止用戶正在運(yùn)行的計(jì)算機(jī)被非法使用，又可保證用戶操作的方便性。其設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法將對(duì)逐步完善用戶個(gè)人計(jì)算機(jī)安全性工作起到積極作用。

［1］Richard Stevens W.Advance programming in the UNIX environment［M］.New York:Addison Wesley，1992.

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