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安全语音通信系统
项目简介
安全语音通信系统是一个基于UDP协议的实时加密语音通信应用，采用客户端-服务器架构设计。系统支持用户注册、登录、加密语音通话，以及通话录制等功能。通过采用先进的AES加密技术（基于Fernet实现），确保通信内容的安全性和私密性，可用于需要保密的语音通信场景。
功能特点
核心功能
- 用户管理：支持用户注册、登录和登出
- 加密语音通话：实时、低延迟的语音通信，支持点对点加密
- 安全性保障：采用Fernet加密（基于AES-128-CBC），每个用户拥有独立密钥
- 密钥交换：基于服务器中转的安全密钥交换机制
- 音频处理：采用DCT（离散余弦变换）进行音频压缩处理
- 通话录制：支持录制原始音频、DCT变换后数据及加密数据
技术特点
- NAT穿透：支持服务器中继模式，解决NAT网络环境下的连接问题
- 音频优化：高频衰减、噪声阈值和动态范围压缩，提升音质
- 设备兼容性：自动适配多种音频设备，支持不同通道配置
- 网络诊断：内置网络连接测试和问题诊断功能
- 心跳机制：保持连接活跃，及时检测断线情况
系统架构
系统由三部分组成：
-
客户端(improved_client.py)
- 用户界面：基于Tkinter构建的图形用户界面
- 音频处理：使用numpy和scipy进行音频采集、变换和播放
- 加密模块：使用cryptography.fernet实现端到端加密
- 通信模块：基于UDP协议的网络通信
-
服务器(improved_server.py)
- 用户管理：用户注册、身份验证和状态维护
- 会话管理：呼叫请求处理和通话会话维护
- 密钥分发：安全地分发和交换用户密钥
- 数据中继：可选的音频数据中继功能（解决NAT问题）
-
数据库
- SQLite数据库(voice_users.db)：存储用户账号、密码和加密密钥
数据流程
发送端流程
- 采集音频 →
- DCT变换（数据压缩）→
- 加密（可选）→
- 添加帧头（时间戳、序列号）→
- UDP发送
接收端流程
- 接收UDP数据包 →
- 解密（可选）→
- 解析帧头 →
- 逆DCT变换 →
- 音频输出
录音逻辑
- 原始音频数据写入raw_recorder
- DCT变换后的数据写入dct_recorder
- 加密后的数据写入encrypted_recorder（若启用加密）
- 接收到的DCT数据（解密后的）写入received_dct_recorder
- 经过逆DCT变换后的原始音频写入received_raw_recorder
安装与配置
依赖库
tkinter
socket
threading
time
datetime
queue
wave
numpy
scipy
sounddevice
cryptography
base64
traceback
netifaces
sqlite3
安装步骤
Mac版本
-
安装Python 3.7或更高版本（如果尚未安装）
brew install python3 -
安装依赖库
pip3 install numpy scipy sounddevice cryptography netifaces -
下载项目文件
- improved_client.py：客户端程序
- improved_server.py：服务器程序
Windows版本
-
安装Python 3.7或更高版本（从python.org下载）
-
安装依赖库
pip install numpy scipy sounddevice cryptography netifaces -
下载项目文件
- improved_client.py：客户端程序
- improved_server.py：服务器程序
使用方法
启动服务器
- 打开终端或命令提示符，切换到项目目录
- 运行服务器程序
python improved_server.py - 在服务器界面设置监听地址和端口（默认为0.0.0.0:9999）
- 点击"启动服务"按钮
客户端使用
- 运行客户端程序
python improved_client.py - 连接服务器
- 输入服务器IP地址和端口
- 注册新账号或使用现有账号登录
- 进行通话
- 输入目标用户ID并点击"开始通话"
- 等待对方接受通话请求
- 通话过程中可选择启用加密和录音功能
- 点击"结束通话"结束当前通话
音频设备配置
- 在配置选项中选择合适的输入设备（麦克风）和输出设备（扬声器）
- 系统会自动适配设备的通道数和采样率
安全机制
密钥管理
- 用户密钥生成：注册时为每个用户生成唯一的Fernet密钥
- 密钥保护：用户密钥使用预共享密钥(PRE_SHARED_KEY)加密后存储在数据库中
- 密钥交换：通话建立时，服务器负责安全地交换双方密钥
通话加密
- 发送方使用自己的密钥加密音频数据
- 接收方使用发送方的密钥解密接收到的数据
- 全程端到端加密，即使数据经过服务器中继也无法被解密
高级功能
网络诊断
点击"网络诊断"按钮，系统会执行以下检查：
- 检测可用网络接口
- 测试与服务器的连接
- 显示诊断结果
用户状态查询
- 使用"检查状态"按钮可查询特定用户是否在线
- 使用"获取在线用户"按钮获取当前所有在线用户列表
音频优化参数
可在代码中调整以下参数以优化音频质量：
blocksize：音频块大小，影响延迟fs：采样率，默认44100Hzhigh_freq_attenuation：高频衰减系数noise_threshold：噪声阈值dynamic_range：动态范围压缩系数
常见问题与解决方案
连接问题
- 问题：无法连接到服务器
- 解决方案：
- 检查服务器是否正常运行
- 确认IP地址和端口是否正确
- 检查网络连接和防火墙设置
音频问题
- 问题：听不到对方声音或对方听不到自己
- 解决方案：
- 检查音频设备选择是否正确
- 确认麦克风和扬声器工作正常
- 尝试重新建立通话连接
加密问题
- 问题：启用加密后无法正常通话
- 解决方案：
- 确保双方使用的预共享密钥相同
- 检查密钥交换过程是否成功
- 尝试重新登录并建立通话
