2017-2018-1 20155339《信息安全系统设计基础》实验五通讯协议设计

2017-2018-1 20155339《信息安全系统设计基础》实验五通讯协议设计
2017-2018-1 《信息安全系统设计基础》实验五通讯协议设计

实验要求

任务一
- 两人一组
- 基于Socket实现TCP通信，一人实现服务器，一人实现客户端
- 研究OpenSSL算法，测试对称算法中的AES，非对称算法中的RSA，Hash算法中的MD5
- 选用合适的算法，基于混合密码系统实现对TCP通信进行机密性、完整性保护。
- 学有余力者，对系统进行安全性分析和改进。
任务二
- 在Ubuntu中实现对实验二中的“wc服务器”通过混合密码系统进行防护
- 提交测试截图
实验过程

任务一

前期基础
- openssl是网络通信提供安全及数据完整性的一种安全协议，囊括了主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能以及SSL协议，并提供了丰富的应用程序供测试或其它目的使用。
- OpenSSL整个软件包大概可以分成三个主要的功能部分：密码算法库、SSL协议库以及应用程序。
- OpenSSL囊括了主要的密码算法、常用的密钥和证书封装管理功能以及SSL协议，并提供了丰富的应用程序供测试或其它目的使用。
- OpenSSL一共提供了8种对称加密算法，其中7种是分组加密算法，仅有的一种流加密算法是RC4。
- 这7种分组加密算法分别是AES、DES（3DES）、Blowfish、CAST、IDEA、RC2、RC5，都支持电子密码本模式（ECB）、加密分组链接模式（CBC）、加密反馈模式（CFB）和输出反馈模式（OFB）四种常用的分组密码加密模式。其中，AES使用的加密反馈模式（CFB）和输出反馈模式（OFB）分组长度是128位，其它算法使用的则是64位。
- OpenSSL提供的CA应用程序就是一个小型的证书管理中心（CA），实现了证书签发的整个流程和证书管理的大部分机制。
Linux下OpenSSL的安装与使用
- 通过老师提供的链接进行下载Linux下OpenSSL的安装与使用，并安装，具体步骤如下：
  1.点击下图所示链接下载：
2.安装成功后用命令行解压
3.解压源代码：tar xzvf openssl-1.1.0-pre1.tar.gz
4.进入源代码目录：cd openssl-1.1.0-pre1
5.使用下列命令编译安装：
```
./config
make
make test
make install
```
make的过程可能需要等一会儿，完成上述步骤就安装好了。
- 编写一个测试代码test_openssl.c：
```
#include <stdio.h>
#include <openssl/evp.h>

int main(){
    
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    
    return 0;
}
```
进行编译并运行：
gcc -o test_openssl test_openssl.c -L/usr/local/ssl/lib -lcrypto -ldl -lpthread
echo $?
其中 -L之后指定的是链接库的路径，由于要导入OpenSSL所以使用-lcrypto参数
运行结果如下：

根据代码return 0了则说明安装成功。

基于Socket实现TCP通信
- socket的基本操作:
  socket()函数、bind()函数、listen()、connect()函数、accept()函数、read()、write()函数等。
- socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。
  使用方法：int socket(int domain, int type, int protocol);
- bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
- 如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。int listen(int sockfd, int backlog); int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
- TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
- read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
- rite函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
- close()函数: 在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。
- 我实现的是我客户端：
```
#include <sys/stat.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <errno.h>  
#include <netdb.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <arpa/inet.h>  
  
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <unistd.h>  
  
#define SERVER_PORT 3901 
#define BUFLEN 1024 
  
/* 
 连接到服务器后，会不停循环，等待输入， 
 输入quit后，断开与服务器的连接 
 */  
  
int main()  
{  
    //客户端只需要一个套接字文件描述符，用于和服务器通信  
    int clientSocket;  
    //描述服务器的socket  
    struct sockaddr_in serverAddr;  
    char sendbuf[BUFLEN];  
    char recvbuf[BUFLEN];  
    int iDataNum;  
    if((clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)  
    {  
        perror("socket");  
        return 1;  
    }  
  
    serverAddr.sin_family = AF_INET;  
    serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  
    //指定服务器端的ip，本地测试：127.0.0.1  
    //inet_addr()函数，将点分十进制IP转换成网络字节序IP  
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  
    if(connect(clientSocket, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0)  
    {  
        perror("connect");  
        return 1;  
    }  
  
    printf("connect with destination host...
");  
  
    while(1)  
    {  
        printf("Input your world:>"); 
	//memset(sendbuf,0,sizeof(sendbuf));  
        bzero(sendbuf,BUFLEN);
        fgets(sendbuf,BUFLEN,stdin);  
          
  
        send(clientSocket, sendbuf, strlen(sendbuf), 0);  
        if(!strncasecmp(sendbuf,"quit",4)) 
            break;  
        iDataNum = recv(clientSocket, recvbuf, BUFLEN, 0);   
        printf("recv data of my world is: %s
", recvbuf);
	bzero(recvbuf,BUFLEN);  
    }  
    close(clientSocket);  
    return 0;  
}
```
- 运行截图如下：
通过openssl测试密码算法
- openssl提供了两种方式调用对称加密算法：
  一种就是直接调用对称加密指令，如openssl des-cbc -in plain.txt -out encrypt.txt -pass pass:12345678。
  另外一种是使用enc的方式，即用对称加密指令作为enc指令的参数:openssl enc -des-cbc -in plain.txt -out encrypt.txt -pass pass:12345678
- 两种方式效果一样，但是更推荐使用enc，因为，用户使用时，只需使用enc，指定加密算法，就是完成单独的加密算法指令完成的操作，此外，enc中可以指定的对称加密算法指令可能并没有以单独指令的形式存在，所以此处我们用enc方式来调用加密算法。
- 通过查看enc的man手册查看enc的详细用法如下：
- in/out：这两个参数指定输入文件和输出文件。即加密是输入文件是明文，输出文件是密文；解密时输入文件是密文，输出文件是明文。
- pass：指定密码的输入方式，共有五种方式：命令行输入(stdin)、文件输入(file)、环境变量输入(var)、文件描述符输入(fd)、标准输入(stdin)。默认是标准输入，及从键盘输入。
- e/d->e:加密， d:解密默认是加密。
- -pubout / -pubin 指明输出文件或输入文件是公钥文件。
- md：指定密钥生成的摘要算法，用户输入的口令不能直接作为文件加密的密钥，而是经过摘要算法做转换，此参数指定摘要算法，默认md5。
- -a/-base64：由于文件加密后是二进制形式，不方便查看，使用该参数可以使加密后的内容经过base64编码，使其可读；同样，解密时需要先进行base64解编码，然后进行解密操作。
- openssl genrsa 用于生成rsa私钥文件，生成是可以指定私钥长度和密码保护。语法:openssl genrsa[-out filename] [-passout arg] [-des] [-des3] [-idea] [-f4] [-3] [-rand file(s)] [-engine id] [numbits]。
- openssl dgst 消息摘要语法：openssl dgst[-md5|-md4|-md2|-sha1|-sha|-mdc2|-ripemd160|-dss1] [-c] [-d] [-hex] [-binary] [-out filename] [-sign filename] [-keyform arg] [-passin arg] [-verify filename] [-prverify filename] [-signature filename] [-hmac key] [file...]
- 练习：只对文件进行base64编码，而不使用加解密，则应该使用如下命令：
```
openssl enc -base64 -in plain.txt -out base64.txt /*对文件进行base64编码*/
openssl enc -base64 -d -in base64.txt -out plain2.txt /*对base64格式文件进行解密操作*/
diff plain.txt plain2.txt /*使用diff命令查看可知解码前后明文一样*/
```
- 运行结果如下：
测试AES可以使用如下命令：
- 命令行输入密码，密码123456 ：openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass pass:123456 ；
- 文件输入，密码123456：echo 123456 > passwd.txt openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass file:passwd.txt;
- 从标准输入输入:openssl enc -aes-128-cbc -in plain.txt -out out.txt -pass stdin 。
测试RSA使用如下命令：
- 生成rsa私钥文件：openssl genrsa -out rsaprivatekey.pem 1024。
- 生成公钥文件，指明输出文件是公钥文件openssl rsa -in rsaprivatekey.pem -pubou -out rsapubckey.pem。
- 用公钥匙rsapubckey.pem加密文件plain.txt，输出到文件hello.en：openssl rsautl -encrypt -in plain.txt -inkey rsapubckey.pem -pubin -out hello.en;
- 使用私钥匙rsaprivatekey.pem解密密文hello.en，输出到文件hello.de:openssl rsautl -decrypt -in hello.en -inkey rsaprivatekey.pem -pubin -out hello.de
测试md5:

openssl dgst -md5 20155339.txt echo "plain.txt" | openssl dgst -md5
- 运行结果如下：
选用合适的算法，基于混合密码系统实现对TCP通信进行机密性、完整性保护

任务二中给出。

任务二

前期基础

基于OpenSSL的程序都要遵循以下几个步骤：
- OpenSSL初始化：
  在使用OpenSSL之前，必须进行相应的协议初始化工作，这可以通过下面的函数实现：
  int SSL_library_int(void);
- 选择会话协议：
  在利用OpenSSL开始SSL会话之前，需要为客户端和服务器制定本次会话采用的协议，目前能够使用的协议包括TLSv1.0、SSLv2、SSLv3、SSLv2/v3。
  需要注意的是，客户端和服务器必须使用相互兼容的协议，否则SSL会话将无法正常进行。
- 创建会话环境：
  在OpenSSL中创建的SSL会话环境称为CTX，使用不同的协议会话，其环境也不一样的，申请SSL会话环境的OpenSSL函数是：SSL_CTX *SSL_CTX_new(SSL_METHOD * method);
- 当SSL会话环境申请成功后，还要根据实际的需要设置CTX的属性，通常的设置是指定SSL握手阶段证书的验证方式和加载自己的证书。制定证书验证方式的函数是：
  int SSL_CTX_set_verify(SSL_CTX *ctx,intmode,int(*verify_callback),int(X509_STORE_CTX *));
- 为SSL会话环境加载CA证书的函数是：
  SSL_CTX_load_verify_location(SSL_CTX *ctx,const char *Cafile,constchar *Capath);
- 为SSL会话加载用户证书的函数是：
  SSL_CTX_use_certificate_file(SSL_CTX *ctx, const char *file,inttype);
- 为SSL会话加载用户私钥的函数是：
  SSL_CTX_use_PrivateKey_file(SSL_CTX *ctx,const char* file,inttype);
- 在将证书和私钥加载到SSL会话环境之后，就可以调用下面的函数来验证私钥和证书是否相符：int SSL_CTX_check_private_key(SSL_CTX *ctx);
- 建立SSL套接字:
  1.SSL套接字是建立在普通的TCP套接字基础之上，在建立SSL套接字时可以使用下面的一些函数：
  SSL *SSl_new(SSL_CTX *ctx); //申请一个SSL套接字
  int SSL_set_fd(SSL *ssl,intfd);//绑定读写套接字
  int SSL_set_rfd(SSL *ssl,intfd); //绑定只读套接字
  int SSL_set_wfd(SSL *ssl,int fd);//绑定只写套接字
- 在成功创建SSL套接字后，客户端应使用函数SSL_connect( )替代传统的函数connect()来完成握手过程:
  int SSL_connect(SSL *ssl);
- 进行数据传输,完成对套接字的读写操作:
```
int SSL_read(SSL *ssl,void *buf,int num);
int SSL_write(SSL *ssl,const void *buf,int num);
```
- 结束SSL通信:调用下面的函数来释放已经申请的SSL资源：
  int SSL_shutdown(SSL *ssl); //关闭SSL套接字
  void SSl_free(SSL *ssl);//释放SSL套接字
  void SSL_CTX_free(SSL_CTX*ctx); //释放SSL会话环境
- 代码如下：
```
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <errno.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <resolv.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <unistd.h>  
#include <openssl/ssl.h>  
#include <openssl/err.h>
 #include <openssl/evp.h>
  
  
#define MAXBUF 1024  
  
void ShowCerts(SSL * ssl)  
{  
    X509 *cert;  
    char *line;  
  
    cert = SSL_get_peer_certificate(ssl);  
    if (cert != NULL) {  
        printf("数字证书信息:
");  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_subject_name(cert), 0, 0);  
        printf("证书: %s
", line);  
        free(line);  
        line = X509_NAME_oneline(X509_get_issuer_name(cert), 0, 0);  
        printf("颁发者: %s
", line);  
        free(line);  
       X509_free(cert);  
    } else  
        printf("无证书信息！
");  
}  
  
int main(int argc, char **argv)  
{  
    int sockfd, len;  
    struct sockaddr_in dest;  
    char buffer[MAXBUF + 1];  
    SSL_CTX *ctx;  
    SSL *ssl;  
  
    if (argc != 3) {  
        printf("参数格式错误！正确用法如下：
		%s IP地址 端口
	比如:	%s 127.0.0.1 80
此程序用来从某个"  
             "IP 地址的服务器某个端口接收最多 MAXBUF 个字节的消息",  
             argv[0], argv[0]);  
        exit(0);  
    }  
  
    /* SSL 库初始化，参看 ssl-server.c 代码 */  
    SSL_library_init();  
    OpenSSL_add_all_algorithms();  
    SSL_load_error_strings();  
    ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_client_method());  
    if (ctx == NULL) {  
        ERR_print_errors_fp(stdout);  
        exit(1);  
    }  
  
    /* 创建一个 socket 用于 tcp 通信 */  
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {  
        perror("Socket");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("socket created
");  
  
    /* 初始化服务器端（对方）的地址和端口信息 */  
    bzero(&dest, sizeof(dest));  
    dest.sin_family = AF_INET;  
    dest.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  
    if (inet_aton(argv[1], (struct in_addr *) &dest.sin_addr.s_addr) == 0) {  
        perror(argv[1]);  
        exit(errno);  
    }  
    printf("address created
");  
  
    /* 连接服务器 */  
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest)) != 0) {  
        perror("Connect ");  
        exit(errno);  
    }  
    printf("server connected
");  
  
    /* 基于 ctx 产生一个新的 SSL */  
    ssl = SSL_new(ctx);  
    SSL_set_fd(ssl, sockfd);  
    /* 建立 SSL 连接 */  
    if (SSL_connect(ssl) == -1)  
        ERR_print_errors_fp(stderr);  
    else {  
        printf("Connected with %s encryption
", SSL_get_cipher(ssl));  
        ShowCerts(ssl);  
    }  
  
    /* 接收对方发过来的消息，最多接收 MAXBUF 个字节 */  
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);  
    /* 接收服务器来的消息 */  
    len = SSL_read(ssl, buffer, MAXBUF);  
    if (len > 0)  
        printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据
",  
               buffer, len);  
    else {  
        printf  
            ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'
",  
             errno, strerror(errno));  
        goto finish;  
    }  
    bzero(buffer, MAXBUF + 1);  
    strcpy(buffer, "from client->server");  
    /* 发消息给服务器 */  
    len = SSL_write(ssl, buffer, strlen(buffer));  
    if (len < 0)  
        printf  
            ("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'
",  
             buffer, errno, strerror(errno));  
    else  
        printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！
",  
               buffer, len);  
  
  finish:  
    /* 关闭连接 */  
    SSL_shutdown(ssl);  
    SSL_free(ssl);  
    close(sockfd);  
    SSL_CTX_free(ctx);  
    return 0;  
}  
```
```
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <openssl/ssl.h>
#include <openssl/err.h>
 #include <openssl/evp.h>


#define MAXBUF 1024

int main(int argc, char **argv)
{
    int sockfd, new_fd;
    socklen_t len;
    struct sockaddr_in my_addr, their_addr;
    unsigned int myport, lisnum;
    char buf[MAXBUF + 1];
    SSL_CTX *ctx;

    if (argv[1])
        myport = atoi(argv[1]);
    else
        myport = 7838;

    if (argv[2])
        lisnum = atoi(argv[2]);
    else
        lisnum = 2;

    /* SSL 库初始化 */
    SSL_library_init();
    /* 载入所有 SSL 算法 */
    OpenSSL_add_all_algorithms();
    /* 载入所有 SSL 错误消息 */
    SSL_load_error_strings();
    /* 以 SSL V2 和 V3 标准兼容方式产生一个 SSL_CTX ，即 SSL Content Text */
    ctx = SSL_CTX_new(SSLv23_server_method());
    /* 也可以用 SSLv2_server_method() 或 SSLv3_server_method() 单独表示 V2 或 V3标准 */
    if (ctx == NULL) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 载入用户的数字证书， 此证书用来发送给客户端。 证书里包含有公钥 */
    if (SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, argv[3], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 载入用户私钥 */
    if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, argv[4], SSL_FILETYPE_PEM) <= 0){
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }
    /* 检查用户私钥是否正确 */
    if (!SSL_CTX_check_private_key(ctx)) {
        ERR_print_errors_fp(stdout);
        exit(1);
    }

    /* 开启一个 socket 监听 */
    if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    } else
        printf("socket created
");

    bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
    my_addr.sin_family = PF_INET;
    my_addr.sin_port = htons(myport);
    my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &my_addr, sizeof(struct sockaddr))
        == -1) {
        perror("bind");
        exit(1);
    } else
        printf("binded
");

    if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {
        perror("listen");
        exit(1);
    } else
        printf("begin listen
");

    while (1) {
        SSL *ssl;
        len = sizeof(struct sockaddr);
        /* 等待客户端连上来 */
        if ((new_fd =
             accept(sockfd, (struct sockaddr *) &their_addr,
                    &len)) == -1) {
            perror("accept");
            exit(errno);
        } else
            printf("server: got connection from %s, port %d, socket %d
",
                   inet_ntoa(their_addr.sin_addr),
                   ntohs(their_addr.sin_port), new_fd);

        /* 基于 ctx 产生一个新的 SSL */
        ssl = SSL_new(ctx);
        /* 将连接用户的 socket 加入到 SSL */
        SSL_set_fd(ssl, new_fd);
        /* 建立 SSL 连接 */
        if (SSL_accept(ssl) == -1) {
            perror("accept");
            close(new_fd);
            break;
        }

        /* 开始处理每个新连接上的数据收发 */
        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        strcpy(buf, "server->client");
        /* 发消息给客户端 */
        len = SSL_write(ssl, buf, strlen(buf));

        if (len <= 0) {
            printf
                ("消息'%s'发送失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'
",
                 buf, errno, strerror(errno));
            goto finish;
        } else
            printf("消息'%s'发送成功，共发送了%d个字节！
",
                   buf, len);

        bzero(buf, MAXBUF + 1);
        /* 接收客户端的消息 */
        len = SSL_read(ssl, buf, MAXBUF);
        if (len > 0)
            printf("接收消息成功:'%s'，共%d个字节的数据
",
                   buf, len);
        else
            printf
                ("消息接收失败！错误代码是%d，错误信息是'%s'
",
                 errno, strerror(errno));
        /* 处理每个新连接上的数据收发结束 */
      finish:
        /* 关闭 SSL 连接 */
        SSL_shutdown(ssl);
        /* 释放 SSL */
        SSL_free(ssl);
        /* 关闭 socket */
        close(new_fd);
    }
    /* 关闭监听的 socket */
    close(sockfd);
    /* 释放 CTX */
    SSL_CTX_free(ctx);
    return 0;
}
```
出现的问题
- 安装之后编译测试代码出现下图所示问题。
- 解决方法：使用sudo apt-get install libssh-dev命令获取libssh-dev包，再次尝试就可以成功。
- 在实验过程中还有一系列理论问题，在实验过程中已经将得到的知识点贴出，下面也有参考资料。
参考资料
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 201871010125 王玉江《面向对象程序设计（java)》第四周学习总结
 201871010125王玉江第二十周总结
 第一次作业
 【 D3.js 入门系列 — 0 】简介和安装
原文地址：https://www.cnblogs.com/pingcpingcuo/p/8035233.html

2017-2018-1 20155339《信息安全系统设计基础》 实验五 通讯协议设计

2017-2018-1 《信息安全系统设计基础》 实验五 通讯协议设计

实验要求

任务一

任务二

实验过程

任务一

前期基础

Linux下OpenSSL的安装与使用

基于Socket实现TCP通信

通过openssl测试密码算法

测试AES可以使用如下命令：

测试RSA使用如下命令：

测试md5:

选用合适的算法，基于混合密码系统实现对TCP通信进行机密性、完整性保护

任务二

前期基础

出现的问题

参考资料

2017-2018-1 20155339《信息安全系统设计基础》实验五通讯协议设计

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