（信号与信息处理专业论文）基于android移动平台的即时通信系统的设计与实现.pdf

design and implementation of instant messaging system based on android mobile platform a dissertation submitted for the degree of master candidate：tang xionghui supervisor：prof. wu yali changan university, xian, china i 摘 要 随着移动通信的快速发展以及互联网向移动终端的普及， 人们越来越离不开实时信 息的交互， 并且随着移动终端的不断普及以及性能和功能的不断提高人们对移动终端的 要求也越来越高。即时通信是基于互联网协议的应用技术，它能够使应用不同设备的用 户进行通信，其最基本的应用形式就是文字聊天。当前各大即时通信软件采用的通信协 议都不统一。近年来，android 系统由于其开源性、易开发性得到广泛的应用，它是基 于linux的开源的手机操作系统平台。 xmpp是基于xml的开源的即时通信协议， xmpp 的内容是开放的，并且继承了 xml 所具有的特点。因此基于 android 平台和 xmpp 协 议开发即时通信系统具有很好的应用前景。 本文对 android 与其它手机操作系统进行了比较，并且详细的分析了 android 的特 征、架构以及与其它操作系统相比较，总结出 android 在手机操作系统中的优势。然后 详细的提出了系统的总体架构、服务器端和客户端的设计方案。服务器端采用开源的 openfire 作为系统的即时通信平台。对 xmpp 通信协议进行了详细的分析，并且对客户 端各个模块进行了分析、设计和实现，最后对系统进行了部署和测试。 经过测试运行表明，本系统在用户注册、用户登录、好友列表的获取、发送和接收 消息、文件传输以及语音录制、播放和发送等模块的功能基本能够运行，系统的整体功 能也基本满足了设计的预期要求。 关键词：android，xmpp 协议，openfire 服务器，即时通信 ii abstract with the rapid development of mobile communications, as well as the popularity of the internet to mobile terminal,people become more and more dependent on the exchange of real-time information,and with the constant popularity of mobile terminal as well as the continuous performance and functionality improvement,the requirements of mobile terminals are getting higher.instant messaging which is based on applications technology of internet protocol, can enable users who use different devices to communicat,and its most basic form of application is the text chat. currently the major instant messaging software communication protocols used are not unified.in recent years, the android system,which is based on the open-source linux mobile operating system platform system, has been widely used because of its open source and easy to develop.xmpp is a xml-based open-source instant messaging protocol,the contents of which is an open,and it inherits the characteristics of xml.so android and xmpp-based instant messaging systems have good application prospect. this paper, comparing the characteristics and architecture of android with other mobile operating systems in detail, it is considered that the android has an obvious advantage. secondly, the overall framework of the system, the design of server and client are given. specially, the server uses the open-source openfire as a system of instant messaging platform thirdly, it gives a detailed analysis on the xmpp communication protocol, and also the analysis , design, implementation of each module of client are given. finally, the system deployment and testing are given. after testing of the application prove that the functions of the systemic user resgistration,user login,friends list of acquisition,send and receive messages and voice recording modules are able to run,the overall function of the system basically satisfy the expectation of the design. key words：android, xmpp protocol, openfire, instant messaging iii 目目 录录 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 研究的意义 . 2 1.4 研究的主要内容和目标 . 3 1.4.1 研究的主要内容 . 3 1.4.2 研究目标 . 4 1.5 论文组织结构 . 4 第二章 系统平台介绍和相关协议分析 . 5 2.1 android 平台的组成及其特性 . 5 2.2 android 应用程序架构及应用程序组件分析 . 6 2.2.1 android 应用程序架构 . 6 2.2.2 android 应用程序组件分析 . 8 2.3 android 和三大主流操作系统的区别和联系 . 9 2.4 xmpp 协议分析 . 10 2.4.1 xmpp 协议概述 . 10 2.4.2 xmpp 特点 . 11 2.4.3 xmpp 体系结构 . 11 2.4.4 xmpp 地址格式 . 13 2.4.5 xmpp 消息格式 . 13 2.4.6 xmpp 安全机制 . 15 2.5 openfire 服务器 . 16 2.5.1 openfire 服务器的介绍 . 16 2.5.2 openfire 服务器的特点 . 16 2.6 本章小结 . 16 第三章 系统的设计 . 17 3.1 系统总体架构设计 . 17 3.2 移动客户端设计 . 18 iv 3.2.1 客户端基本通信流程设计 . 18 3.2.2 客户端功能设计 . 19 3.2.3 客户端模块设计 . 20 3.2.4 客户端通信 . 21 3.2.5 客户端程序设计中的关键问题 . 21 3.3 pc 客户端设计 . 23 3.4 服务器端设计 . 23 3.4.1 服务器端的基本消息流程设计 . 24 3.4.2 服务器端功能设计 . 24 3.4.3 服务器端模块设计 . 25 3.5 本章小结 . 29 第四章 系统的实现 . 30 4.1 系统设计模式 . 30 4.2 移动客户端的实现 . 31 4.2.1 用户注册模块的实现 . 31 4.2.2 用户登录模块的实现 . 34 4.2.3 好友列表显示模块的实现 . 37 4.2.4 用户给好友发送消息模块的实现 . 39 4.2.5 文件传输模块的实现 . 41 4.2.6 语音录制、播放、删除和发送模块的实现 . 42 4.3 pc 客户端的实现 . 44 4.4 服务器端的实现 . 45 4.4.1 用户注册服务的实现 . 47 4.4.2 用户登录验证服务的实现 . 49 4.4.3 好友列表显示服务的实现 . 50 4.4.4 用户给好友发送消息服务的实现 . 50 4.4.5 文件传输服务的实现 . 50 4.5 本章小结 . 51 第五章 系统部署与测试 . 52 5.1 系统部署 . 52 v 5.2 系统测试 . 52 5.3 本章小结 . 56 第六章 结论与展望 . 57 6.1 结论 . 57 6.2 展望 . 57 参考文献 . 59 致 谢 . 61 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 课题研究背景 随着移动互联网的飞速发展，互联网即时通信技术正在向移动化通信快速扩张。目 前微软、腾讯、yahoo、ucstar、skype 等众多即时通信软件供应商都已经推出通过移 动设备和便携式设备接入互联网即时通信的业务， 用户可以通过移动设备与其它安装了 相应客户端软件的移动设备或 pc 机进行通信。为此谷歌早在 2007 年 11 月就推出了一 个专门为移动通信设备设计的软件开发平台android1。 现有的即时通信系统大致可以分为两类， 一类主要是基于 pc 设备的即时通信系统， 另一类主要是基于移动设备的即时通信系统。但是，前者的技术都基本已经成熟，功能 也基本完善，市场也处于饱和状态。后者无论是在功能上还是在市场需求上都有很大的 上升空间，一般的移动即时通信基本上都只能进行文字聊天，在文件传输和语音录制并 发送方面还没有完全成熟和发展开来。 android 是一种以 linux 为基础的开放源代码的操作系统，它主要使用于手持便携 设备上。android 操作系统最早由 andy rubin 开发，最初其主要用于手机，2005 年由 google 收购且注资，开发并改良了该系统，并且将此平台又扩展到其它设备上，例如平 板电脑等，android 平台的开放性等特点既能促进技术的创新，又助于降低开发成本， 还可以使运营商能非常方便的制定自己的特色化产品。 因此在其平台上开发移动即时通 信系统具有很大的市场发展潜力。 1.2 国内外研究现状 近年来，互联网的快速发展，使用即时通信业务的用户人数正在不断的增加，市场 规模不断的扩大。 2002 年-2004 年是即时通信发展最为关键的时期， 为了争夺用户数量， 许多运营商都纷纷推出了自己的即时通信产品2。 中国即时通信用户数量的增长从 2004 年的 0.7 亿人增加到 2005 年的 0.93 亿人，而 2006 年用户的人数达到了近 1.2 亿人，增 长率高达 29%，更值得一提的是，根据 morganstanley 的研究报告表明，中国在 2005 年即时通信的市场规模约为 0.62 亿美元， 2006 年约为 0.77 亿美元， 2010 年则达到 1.14 亿美元2。全球企业即时通信市场范围 2005 年为 2.67 亿美元，估计 2010 年实现将近两 倍的增添，将达到 6.88 亿美元，到 2011 年，即时通信工具将成为企业员工重要的沟通 第一章 绪 论 2 工具，估计 2013 年，跨国公司中 95%的员工将把即时通信软件作为他们及时沟通的重 要工具2。 在过去几年，移动即时通信因其即时性和方便性，正以惊人的速度在网络上流行起 来，广受新新人类的欢迎，并迅速占领市场 。据 iresearch 在 2007 年 5 月发布的调查 报告显示，2005 年中国移动即时通信业务使用人数已达到五百万，2006 年中国移动即 时通信业务注册人数达到七百万，未来几年移动即时通信用户规模将呈现快速增长，预 计到 2010 年中国移动即时通信用户将达到二千万人3。 目前市场上已经出现多达七款手 机终端的移动即时通信工具，移动 qq、uu 语音、密友、聊霸、pica 即时通、bbt、 小蜜蜂等。移动 qq 是最早的移动即时通信工具，uu 语音是最早完全基于高端开发的 沟通工具，bbt 是 qq 的手机版它最大的买点是导入 qq 功能，聊霸是中国移动指定的 合作产品，图片、语音传输模式也是其优点之一等等。 2008 年-2009 年，即时通信系统市场在国内外还都处于导入期，全球金融危机加剧 了市场竞争格局的形成，安全、高效、稳定将成为服务的重点。加速信息化的建设将促 使即时通信市场的快速发展。通信业务的统一必将成为未来发展的最大趋势，未来的即 时通信供应商能够提供电话、短信、邮件等多种功能的解决方案，并且支持多媒体服务 平台，为用户提供更方便、更快捷的应用，将即时通信业务向移动设备方向上转变。目 前市场上移动开发平台主要有 android、windows mobile、symbian 和 iphone 等，而 android 在众多开发平台中占据着非常重要地位。 虽然即时通信功能上的发展呈现多元化的发展，用户的在线生活圈逐渐形成。包括 qq 在内的即时通信工具不断增加新的增值应用服务，如新闻资讯、邮箱、音乐、博客、 网络游戏、c2c、网络电话、微信等，为即时通信用户提供了众多的娱乐和资讯服务选 择，在增加盈利的同时，不断强化用户粘性。但是在移动即时通信系统上的发展并不如 pc 机上的即时通信系统，移动即时通信系统大多只能进行基本的文字聊天，而文件传 输、语音录制并发送很少有能实现的。因此在 android 移动平台上实现即时通信的文件 传输和语音录制并发送上将会有很大的发展空间和市场需求。 1.3 研究的意义 随着智能手机的革命性发展推动手机网民群体逐渐趋向成熟化， 中国手机互联网网 民规模得到了快速增长，根据第 29 次中国互联网发展状况统计报告7显示，截至 2011 年 12 月底， 中国手机网民规模已经达到 3.56 亿， 占总体网民中的比例达到 69.4%， 长安大学硕士学位论文 3 智能手机的革命性发展大大提升了用户使用手机上网的体验，手机上网逐渐成了 pc 上 网的延伸， 用户逐渐开始大范围由传统互联网向手机网络转移7。 根据艾瑞的调查显示， 短短四年间，中国即时通信用户已经从 2004 年的 0.7 亿用户，发展到了 2005 年的 0.93 亿用户。爆炸性的用户增长印证了即时通信产业的不断成熟8。而将文件传输、语音录 制、播放和发送等功能加入到移动即时通信系统中，这对于增加用户体验、改变人们的 行为方式、提高工作效率和获得巨大的经济利益具有里程碑的意义。 作为 google 最新推出的移动设备平台， android 平台与其它手机操作系统相比其源 代码是完全开放的，android 手机研发已经逐渐成为了一个热门的方向。而目前主流的 四种 im(im：instant messaging,即时消息)协议分别为：prim (空间和即时信息协议)、 impp (即时信息和空间协议)、simple (针对即时通信和空间平衡扩充的进程开始协议 sip)、xmpp(extensible messageing and presence protocol,可扩展消息与存在协议) 14。这 四种协议中，xmpp 最为灵活。它是一种基于 xml 的协议。所以，以 xmpp 协议为基 础的应用具有非常不错的扩展性。 扩展以后的 xmpp 可以处理用户的需求通过发送扩展 的信息，以及能够建立如内容发布系统和基于地址的服务等应用程序在 xmpp 的顶端。 而且，xmpp 包含了针对服务器端的软件协议，这样就能使该服务器可以与另一个客户 端进行通话， 这样使得开发者更容易的完成客户程序的编写以及给配置好的系统的添加 其它功能。 但是目前移动即时通信大部分只能进行基本的文字通信所以也存在一些功能 上的不足之处如以下两点： 1)文件传输。 2)语音的录制、播放、删除并且发送。 1.4 研究的主要内容和目标 1.4.1 研究的主要内容 本文主要的研究工作是设计和实现一个 android 移动平台的即时通信系统，实现不 同类型的客户端之间的基本文字通信，实现移动设备与 pc 机终端的互通，使用户能通 过手机等移动设备的即时通信系统客户端能够随时随地与他人进行即时通信。 基本功能 包括文字通信、文件的传输、语音的录制、播放、删除和发送。 本文主要的研究内容有以下几个方面： 1. 基于 android 移动即时通信系统网络拓扑 图和系统的总体架构设计图的研究。 2. 基于 android 移动即时通信系统客户端和服务器端功能研究。 第一章 绪 论 4 3. 基于 android 移动即时通信系统实现方式的研究。 1.4.2 研究目标 1)实现即时通信的基本文字聊天功能。 2)实现文件传输的功能包括： pc 客户端与移动 android 客户端之间的传输， spark 客户端与移动 android 客户端之间的传输。 3)实现语音录制、播放、删除和实时发送语音文件的功能包括 pc 客户端与移动 android 客户端之间的传输，spark 客户端与移动 android 客户端之间的传输。 1.5 论文组织结构 本论文从结构上来讲，共分为六章来叙述，其内容如下： 第一章 绪论。主要阐述了论文的课题研究背景、国内外研究现状以及研究的意义 和目的，明确了论文研究的主要内容并给出了论文的组织结构。 第二章 系统平台介绍和相关协议分析。主要介绍了 android 平台的组成及其特点 并对 android 应用程序架构进行分析， 将 android 系统与其它手机系统作了系统的比较。 其次对 xmpp 协议进行了介绍和分析，给出了 xmpp 的基本网络结构及其功能。最后 介绍了 openfire 服务器及其特点。 第三章 系统的设计。主要是给出了系统总体架构并对其进行分析，配置服务器和 数据库之间的联系及运行流程，最后对移动客户端、pc 客户端、服务器端进行设计。 第四章 系统的实现。主要是介绍用户注册功能、用户登录功能、好友列表显示功 能、用户发送和接收消息功能、文件传输功能以及的录制、播放和发送功能的实现。 第五章 系统部署与测试。主要是搭建测试环境并对系统各部分进行完整的测试得 出测试结果。 第六章 结论与展望。主要是对论文主要工作进行总结，提出了本系统还存在的问 题，展望未来即时通信的发展方向。 长安大学硕士学位论文 5 第二章 系统平台介绍和相关协议分析 2.1 android 平台的组成及其特性 android 不仅是一种操作系统，它也是一个开源的体系架构，android 平台大量应用 了开源社区的成果，并将其针对移动设备进行了一系列的优化，android 平台包含的主 要构成部分及其特性18如下： 应用程序框架支持组件的重用和替代。 这在之前的手机操作系统当中是很难想象 的。这意味着可以把系统中不需要或暂时用不到的应用程序替代掉，安装需要的应用程 序。 通过 google 改进和调优的 linux 内核。 通过 google 修改后的 java 虚拟机 dalvik vm。dalvik 虚拟机专门为移动设备做 了优化。android 应用程序将由 java 语言编写、编译的类文件通过 dx 工具转换成一种 后缀名为.dex 的文件来执行。dalvik 虚拟机是基于寄存器的一种虚拟机平台，与 java 的虚拟机相比较而言，运行速度要更快一些。 大量可用的类库和应用软件，例如浏览器 webkit。有了内置的浏览器，这将意 味着 wap 应用时代即将结束，真正的移动互联网时代已经来临。数据库 sqlite 用作结 构化的数据存储。 google 已经开发好的大量现成的应用软件，并可以直接使用很多 google 在线服 务。 开发环境组成部分相当的多，其中主要由 eclipse 集成开发环境插件、内存、调 试工具及性能分析图表和设备模拟器等组成。 google 公司还提供了一些 android 系统平 台的开发包 sdk 文件，这里面包含了大量的类库文件以及需要的开发工具等。并且专 门开发出一套针对提高 eclipse 的可视化的开发插件 adt。 优化过的 2d 和 3d 图形处理系统。3d 图形库基于 opengl es 1.0。强大的图 形库给游戏开发带来福音。 多媒体信息的组成方面， 主要包括了图像、 视频、 音频和静态的印象文件格式 （例 如：jpg、png、gif、 mpeg4、h.264、mp3、aac、amr 等） 。 支持 gsm 电话（依赖于硬件） 、蓝牙（bluetooth） 、edge、3g、wifi（依赖于 硬件） 、摄像头、gps、指南针和加速度计（依赖于硬件） 。 第二章 系统平台介绍和相关协议分析 6 2.2 android 应用程序架构及应用程序组件分析 2.2.1 android 应用程序架构 android 操作系统体系结构分为五层18，由上而下依次是应用程序层(applications)、 应用程序框架层(application framework)、开发库层(libraries)、android 运行环境层 (android runtime)和 linux 内核层(linux kernel)。 android 操作系统详细的体系结构如图 2.1 所示： 图图 2.1 android 系统体系结构图系统体系结构图 1.应用程序（applications） 所有 android 应用程序的编写都是用 java 语言来完成的，并且所有使用 java 语言 编写的应用程序都可以在 java 的虚拟机上运行。 谷歌公司将 android 系统加上一系列的 核心应用程序包绑定在一起同时向外界发布， 这个应用程序包主要是包括浏览器， 日历， e-mail 用户客户端，联系人的管理器程序，短消息收发程序，地图等。 2.应用程序框架（application framework） 本层主要介绍的是 api 框架，api 框架在 google 发布的核心应用时都被使用了， 应用程序框架（af）的作用主要是可以用其来减少应用组件软件等的重复使用情况。任 何一个应用程序都可以拥有其自身的一些特殊的功能模块，而且可以发布，这些发布出 来的功能模块能够被其它的任意一个应用程序调用出来， 但是必须要严格的遵循其应用 长安大学硕士学位论文 7 程序框架的开发原则等问题。 android 提供以下一些组件，包括： 1)可扩展的视图 （views） ， 能够用来创建应用程序， 其中它包括文本框 （text boxes） 、 按钮（buttons）、网格（grids）、列表（lists），或者可以添加例如 web 浏览器的插 件等。 2)内容管理器（content providers），该管理器是可以使应用程序组件能够访问到另 外一个应用程序组件中的数据信息， 或者是可以与其它应用程序组件一起共享自己本地 资源中的一些数据信息。 3)通知管理器（notification manager），可以实现使应用程序能够在状态栏中显示 出由客户发来的通知信息等。 4)活动类管理器（activity manager），应用程序是有生命周期的，其生命周期是能 够被管理的，并且应用程序也能够提供一些很基本的导航返回的功能。 5)资源管理器（resource manager），能够为系统提供诸如：访问非代码资源的功 能，例如分层文件（layout files），本地的字符串和图形等。 3.开发库文件（libraries） android 系统包含有一个独立的被 android 操作系统中各个不同的应用程序组件所 普遍使用的 c/c+库。这些库文件一般都是由 java 库、系统 c 库、媒体库、sqlite、 freetype 等组成。该库通过 android 应用程序框架为开发者提供服务。 4.android 运行环境（android runtime） 任何一个基于 android 系统的应用程序都是在其各自的独立进程中运行的，并且都 是拥有一个与本身的 dalvik 虚拟机相对立的应用程序实例。 dalvik 虚拟机是面向可同时 并高效地运行的多个 vms 来实现具体功能的。dalvik 虚拟机只执行后缀是 .dex 的一些 dalvik 虚拟机可执行文件。所有的类都经过由 java 汇编器编译且通过，然后还需要化 成.dex 格式，这种转换是通过 sdk 中的 dx 工具来完成的，最后才能正常的在虚拟机 上执行。 作为 android 系统的重要特性，dalvik 虚拟机第一次进入人们的视野是在 2007 年 底 google 正式发布的 android sdk 里发现的。这种虚拟机能够对内存有效和充分的使 用，并且在低速的 cpu 上所表现出来的高性能让开发者为之震惊，确实令世人刮目相 看。android 系统能够简单而且非常有效地完成进程的隔离和线程的管理。任何一个 android 应用在最底层都会对应的有一个独立的 dalvik 虚拟机实例，它的代码是在虚拟 第二章 系统平台介绍和相关协议分析 8 机的解释下能够得以执行。 5.linux 内核（linux kernel） android 的核心系统服务主要依赖于 linux 2.6 内核，如安全性、进程管理、内存管 理、网络协议栈和驱动模型等都依赖于该内核。硬件和软件栈之间的抽象层也是 linux 内核来充当的。 2.2.2 android 应用程序组件分析 android 划分了四类核心的组件类18,24：activity, service, broadcast receiver 和 contentprovider。通过 intent 来完成相同组件和不同组件之间的导航。android 还定义了 view 类来显示可视化界面，例如对话框、菜单、下拉列表等等。 在 android 上的应用程序类型主要包括视图、活动、服务、意图和广播接收器和内 容的具体提供等五种，以下将对各个应用程序类型做出详细的分析： 活动（activity） activity(活动)，它是 android 系统应用组件中的最基本的，也是最常被使用的一种 应用程序组件。在一个 android 系统具体应用中，一个活动 activity 组件，通常是指单 独的可视屏幕，而且每一个活动 activity 都被定义为一个独立的类，并且主要是继承于 activity 这个主要基类。这个活动 activity 类将会显示出许多的用户接口，这些用户接 口都是由视图类控件所组成的， 并且应用程序同时对多个不同的事件做出相应的回馈响 应动作。与此同时，大部分的应用程序都可以应用于多个屏幕中。 意图（intent） intent 是不同组件之间相互导航的纽带，封装了不同组件之间导航查找的条件。在 意图 intent 的基本结构的描述中，可以看到有两个主要的组成部分：动作以及动作所对 应的数据信息。典型的基础动作类型主要是有 view、main(activity 的门户)、pick、 edit 等类型。而这些动作所对应的数据信息则是以 uri 的形式实现具体的表示形式。 如要查询一个特殊用户的具体的联系方式时， 客户端就需要先创建一个基于动作类型为 view 的 intent，和一个表示这个特殊用户的 uri 动作类型。 视图（view） view 是 android 中图形用户界面的基类，提供了可视化界面的展示。android 的图 形界面展示可以分为三层：底层是 activity；activity 上面是 window；window 上面是 views。view 又可以分为 view 和 viewgroup。view 是指基本的控件，例如按钮、单选 长安大学硕士学位论文 9 框、多选框、菜单等；viewgroup 是指布局控件，即用来控制界面中的控件如何布局摆 放。视图是在一个 xml 文件中定义的。每个元素有一个或多个属于 android 命名空间 的属性。 服务（service）和广播接收器（broadcast recei