基于TCP协议的简单即时通信软件的设计与实现3.doc

基于TCP协议的简单即时通信软件的 设计与实现 姓名： 叶 幸 红 学号：091401010070 班级： 09 电 气 指导教师：何二宝 基于TCP协议的简单即时通信软件的设计与实现摘 要即时通信(Instant Message)，由于其具有实时性、跨平台性、成本低、效率高等优点而受到广泛的使用。设计并实现一个能够处理多用户进行实时、安全的即时通信系统具有较强的现实意义。即时通信的底层通信是通过SOCKET套接字接口实现的。当前的主流UNIX系统和微软的WINDOWS系统都在内核提供了对SOCKET字接口的支持。使用这个统一的接口，可以编写一个可移植的TCP/IP通信程序。使信息能够在INTERNET上可靠的传输。本文设计并实现了基于局域网内的简单即时通信系统，系统采用C/S模式，底层通信通过SOCKET套接字接口实现，服务器负责客户端的登录验证，好友信息的保存和心跳报文的发送。客户端采用P2P方式实现消息传递，并能实现文件的传输。本文首先讨论了同步套接字，异步套接字，多线程并发执行任务等；然后阐述了客户端、服务器如何使用XML序列化的消息进行通信。关键词：即时通信；文件传输；套接字；TCP协议 引言1.1 课题背景即时通信是一个终端连往一个即时通信网路的服务。即时通信不同于e-mail在于它的交谈是实时的。大部分的即时通信服务提供了presence awareness的特性显示联络人名单，联络人是否在在线与能否与联络人交谈。最早的即时通信软件是ICQ，ICQ是英文中I seek you的谐音，意思是我找你。四名以色列青年于1996年7月成立Mirabilis公司，并在11月份发布了最初的ICQ版本，在六个月内有85万用户注册使用。在因特网上受欢迎的即时通信服务包含了MSN Messenger、AOL Instant Messenger、Yahoo! Messenger、NET Messenger Service、Jabber、ICQ与QQ。 这些服务有赖于许多想法更久的(与普遍)的在线聊天媒介，如Internet Relay Chat一样知名。1970年代早期，一种更早的即时通信形式是柏拉图系统(PLATO system)。之后在1980年代，UNIX/Linux的交谈实时信息被广泛的使用于工程师与学术界，1990年代即时通信更跨越了因特网交流。1996年11月，ICQ是首个广泛被非UNIX/Linux使用者用于因特网的即时通信软件。在ICQ的介绍之后，同时在许多地方有一定数量的即时通信方式发展，且各式的即时通信程序有独立的协议，无法彼此互通。这引导使用者同时执行两个以上的即时通信软件，或者他们可以使用支持多协议的终端软件，如Gaim、Trillian或Jabber。近年来，许多即时通信服务开始提供视讯会议的功能，网络电话(VoIP)，与网络会议服务开始整合为兼有影像会议与实时信息的功能。于是，这些媒体的分别变的越来越模糊。1.2 国内外研究现状1.1.1 国外研究现状当今，国际上对网络通信系统研究的较好的公司有，思科，Sun，Ms等公司，思科主要研究的是底层的传输；MS，Sun公司研究的是应用层。其中ms公司凭借其在操作系统的垄断地位，为了在网络的发展中取得先机，采用了各种各样的手段。但是，其捆绑的msn，无论从功能上，还是技术上来说，都不算是非常先进的。当然，ie，同样也不是很受人青睐，这让人想起了，当年的网景公司，网景只是生不逢时。MS不择手段的想打跨网景，可见其对网络的重视。如今，Sun公司在网络应用上捷足先登，凭借着Java，Sun在网络的应用上领先于MS。微软，想用同样的办法搞跨对手，因此它拿出了Visual c#，来对抗Java。这些都是在应用层面的开发工具。应用层上的产品就更显种类繁多。ICQ几乎是国际上通用的即时通信工具，由于在我国它的应用不是很广，所以，其原理也很少被介绍。msn，是MS的产品，同样在国内没什么市场，所以，对其原理，也很少被讨论过。至于ie，是在Visual c+下开发的产品，虽然有严重的安全隐患，不过，至少能在某种程度上代表当今国际研究的水平。此外，国际上最近出先了新的浏览器Firefox，其性能据说是远高于ie，也许在网络的天下，Ms又有了更强劲的对手。1.2.2 国内研究现状国内在应用层上的网络应用软件目前发展异常的火爆，因为我国有着网络应用的最大的市场，现在国内网络的基础性建设发展迅速，应用软件也层出不穷，其中，在游戏的领域中，网络通信的工作做的不错，如联众游戏平台，还有其他的一些平台，这些平台基本上都是基于VC+的，用的都是Socket通信，但是为了效率，这些平台没有用MFC提供的CSocket类，而是直接用Socket进行通信。所以效率上不错。此外，tencent的即时通信，也是做的很好的，从某中程度上来说，代表了国内最高的水平。1.3 本课题研究的意义本课题目标是实现局域网用户之间的即时交流和文件传输，通过基础的网络SOKET编程，为局域网内部的即时通信提供一个简单而较安全的解决方案。1.4 本课题的研究方法本系统采用C/S（Client/Server）结构进行设计,使用SQL Server 2000构建数据库，并在.NET环境下使用Visual C#.net语言和SOCKET套接字开发一个基于TCP协议的简单即时通信软件，实现简单的即时聊天，文件传输等功能。2 相关技术介绍TCP协议2.1.1 TCP/IP网络协议协议是对等的网络实体之间通信的规则，可以简单地理解为网络上各计算机彼此交流的一种“语言”。网络通信协议设计的基本原则是层次化，层和协议的集合被称为网络体系结构。相邻层之间的接口定义了下层向上层提供的基本操作和服务，下层向上层提供的服务分两种形式：面向连接的服务和无连接的服务。计算机网络中已经形成的网络体系结构主要有两个：OSI参考模型和TCP/IP参考模型。TCP/IP参考模型是因特网（Internet）的基础。和OSI的7层协议相比，TCP/IP协议只有4个层次。通常说的TCP/IP是一组协议的总称，TCP/IP实际上是一个协议族，包括100多个相互关联的协议，其中IP(Internet Protocol, 网际协议)是网络层最主要的协议；TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)和UDP(User Datagram Protocol,用户数据报协议是传输层中最主要的协议)，一般认为IP、TCP、UDP是最根本的三种协议，是其他协议的基础。2.1.2 TCP传输控制协议面向连接的通信可以使用可靠通信，在这时候，第四层协议发送数据接收方的确认，如果未收到数据或者数据被损坏，则请求重新传输。TCP协议就使用这种可靠通信。使用TCP协议的应用层协议包括HTTP、FTP、SMTP和Telnet等。TCP要求在发送数据之前必须打开连接。服务器应用程序必须执行一个称作被动打开（passive open）的操作，以利用一个已知的端口号创建一个链接，这是，服务器并不是对网络进行呼叫，而是侦听并等待引入的请求。客户应用程序必须执行一个主动打开（active open），为此，它向服务器应用程序发送一个同步序列号（SYN）以标识连接。客户应用程序可以将动态端口号作为本地端口使用。服务器必须向客户发送一个确认（ACK）以及服务器的序列号（SYN）。随后，客户回复一个ACK，这样就建立了链接。现在可以发送和接收消息了。接收消息后，总是返回ACK消息。如果在收到ACK之前发送方已经超时，则消息将被放到重发队列中以再次发送。由于它的握手机制，所以TCP协议比较复杂并且费时，但此协议在处理数据时对数据包的传送有保障，从而使得在应用程序协议中不需要再包括该功能。2.2 MCF MFC,微软基础类(Microsoft Foundation Classes)，同VCL类似，是一种Application Framework，随微软Visual C+ 开发工具发布。目前最新版本为9.0（截止2008年11月）。该类库提供一组通用的可重用的类库供开发人员使用。大部分类均从CObject 直接或间接派生，只有少部分类例外。 MFC 应用程序的总体结构通常由 由开发人员从MFC类派生的几个类和一个CWinApp类对象（应用程序对象）组成。MFC 提供了MFC AppWizard 自动生成框架。 Windows 应用程序中，MFC 的主包含文件为Afxwin.h。 此外MFC的部分类为MFC/ATL 通用，可以在Win32 应用程序中单独包含并使用这些类。 由于它的易用性，初学者常误认为VC+开发必须使用MFC。这种想法是错误的。作为Application Framework，MFC的使用只能提高某些情况下的开发效率，只起到辅助作用，而不能替代整个Win32 程序设计。 MFC,微软基础类(Microsoft Foundation Classes),实际上是微软提供的,用于在C+环境下编写应用程序的一个框架和引擎,VC+是WinDOS下开发人员使用的专业C+ SDK(SDK,Standard SoftWare Develop Kit,专业软件开发平台),MFC就是挂在它之上的一个辅助软件开发包,MFC作为与VC+血肉相连的部分(注意C+和VC+的区别:C+是一种程序设计语言,是一种大家都承认的软件编制的通用规范,而VC+只是一个编译器,或者说是一种编译器+源程序编辑器的IDE,WS,PlatForm,这跟Pascal和Delphi的关系一个道理,Pascal是Delphi的语言基础,Delphi使用Pascal规范来进行Win下应用程序的开发和编译,却不同于Basic语言和VB的关系,Basic语言在VB开发出来被应用的年代已经成了Basic语言的新规范,VB新加的Basic语言要素,如面向对象程序设计的要素,是一种性质上的飞跃,使VB既是一个IDE,又成长成一个新的程序设计语言),MFC同BC+集成的VCL一样是一个非外挂式的软件包,类库,只不过MFC类是微软为VC+专配的. MFC是Win API与C+的结合,API,即微软提供的WinDOS下应用程序的编程语言接口,是一种软件编程的规范,但不是一种程序开发语言本身,可以允许用户使用各种各样的第三方(如我是一方,微软是一方,Borland就是第三方)的编程语言来进行对WinDOS下应用程序的开发,使这些被开发出来的应用程序能在WinDOS下运行,比如VB,VC+,Java,Dehpi编程语言函数本质上全部源于API,因此用它们开发出来的应用程序都能工作在WinOS的消息机制和绘图里,遵守WinDOS作为一个操作系统的内部实现,这其实也是一种必要,微软如果不提供API,这个世上对Win编程的工作就不会存在,微软的产品就会迅速从时尚变成垃圾,上面说到MFC是微软对API函数的专用C+封装,这种结合一方面让用户使用微软的专业C+ SDK来进行Win下应用程序的开发变得容易,因为MFC是对API的封装,微软做了大量的工作,隐藏了好多程序开发人员在Win下用C+ & MFC编制软件时的大量内节,如应用程序实现消息的处理,设备环境绘图,这种结合是以方便为目的的,必定要付出一定代价(这是微软的一向作风),因此就造成了MFC对类封装中的一定程度的的冗余和迂回,但这是可以接受的. 最后要明白MFC不只是一个功能单纯的界面开发系统,它提供的类绝大部分用来进行界面开发,关联一个窗口的动作,但它提供的类中有好多类不与一个窗口关联,即类的作用不是一个界面类,不实现对一个窗口对象的控制(如创建,销毁),而是一些在WinDOS(用MFC编写的程序绝大部分都在WinDOS中运行)中实现内部处理的类,如数据库的管理类等,学习中最应花费时间的是消息和设备环境,对C+和MFC的学习中最难的部分是指针,C+面向对像程序设计的其它部分,如数据类型,流程控制都不难,建议学习数据结构C+版。2.3 C/S模型客户机/服务器模型，又称为Client/Server模型，简称C/S架构。C/S计算技术在信息产业当中占有重要的地位。这种客户机/服务器模型是一种非对称式编程模式。该模式的基本思想是把集中在一起的应用划分成为功能不同的两个部分,分别在不同的计算机上运行，通过它们之间的分工合作来实现一个完整的功能。对于这种模式而言其中一部分需要作为服务器，用来响应并为客户提供固定的服务；另一部分则作为客户机程序用来向服务器提出请求或要求某种服务。 在此“服务器”是指能在网络上提供服务的任何程序。服务器接受网络上的请求，完成服务后将结果返回给申请者。对于简单的服务，把每个请求用一个IP数据报发给服务器，服务器用另一个数据报返回响应。客户机和服务器都是独立的计算机。当一台连入网络的计算机向其他计算机提供各种网络服务(如数据、文件的共享等)时，它就被叫做服务器。而那些用于访问服务器资料的计算机则被叫做客户机。严格说来，客户机/服务器模型并不是从物理分布的角度来定义，它所体现的是一种网络数据访问的实现方式。采用这种结构的系统目前应用非常广泛。如宾馆、酒店的客房登记、结算系统，超市的POS系统，银行、邮电的网络系统等。各种网络服务器基本都遵循同样的算法:创建一个端口(Port)，接受从网络上来的客户服务请求，完成计算后把结果返回给客户，如此反复。3 系统总体设计3.1 需求分析软件针对局域网内部用户，实现用户间的即时通信。需要分别实现服务器端和客户端的软件设计。服务器端负责监听用户连接请求，负责连接数据库存储用户信息，负责发送给用户好友信息，负责发送心跳报文检查用户在线状态并即时让用户更新好友在新信息。客户端发起主动连接，向服务器请求登录或者注册。客户端可以修改昵称，可以加已知用户为好友（类似于MSN的好友添加功能）。客户端之间可以发起P2P模式的聊天，可以传送文件。3.2 系统基本架构基于C/S架构的即时通信软件便于对用户信息进行统一管理和保存，面向特定的用户，对信息的安全控制能力很强。为了减轻服务器负担，客户端之间的信息传递是采用P2P模式的，服务器只负责用户的注册，登录和用户在线状态的检验。基本结构如图：图1 系统基本架构3.3 功能模块设计CLIENT:1. 注册：(1) 可以完成客户端注册，客户端可以通过填写信息进行注册，信息被发送到服务器端。2. 登录：(1) 客户可以输入账号和密码进行登录，客户端会发送登录信息等待服务器响应，登录成功后会发出登录成功信息并刷新好友列表。3. 修改：(1) 密码修改：应该有密码修改功能(2) 信息修改：可以更改一些注册信息4. 通信：(1) 即时聊天模块：客户端与客户端之间建立线程进行即时聊天，也包含有简单的对称加解密算法功能。(2) 好友列表：可以对好友列表进行添加删除等动作5. 文件传输：(1) 文件传输：文件传输功能SERVER：1. 注册回应：对客户端传送的注册信息进行判断。(1) HASH加密：对用户的账号和密码信息进行HASH加密(2) 重复用户检查：将加密后信息与已存在账号进行比较，检查是否账号已存在，如果存在就返回错误信息(3) 注册成功：将可成功注册的用户账号和密码写入数据库内，并向客户端返回成功信息2. 修改回应：(1) 对密码和信息修改请求进行判断，执行和返回修改成功信息3. 登录回应：(1) 对登录的账号和密码进行加密检查后发回正确或错误情况，并记录上线信息(2) 好友列表发送：给成功登录的账号发送好友列表及好友上线信息(3) 上线信息发送：给成功登录的账号的好友发送在线信息（包括IP,端口等等信息）4. 在线情况：(1) 对登录，在线，离线的用户情况进行统计，记录和通知(2) 心跳测试：每隔一段时间发送报文测试用户是否因意外原因离线(3) 情况记录：将用户登录时间，IP，下线时间等信息记录入数据库3.4 数据库设计3.4.1 实体关系图服务器是作为记录和读取数据库信息的载体，与客户端关系并不复杂，这里需要重点考虑客户端之间的关系。用户与用户之间的关系是较为特殊的递归关系，即描述发生在两个相同实体上的关系。E-R图如下：聊天文件传输nn用户ID好友ID状态IP客户端账号昵称EmailID密码好友分组状态客户端账号昵称EmailID密码好友分组IP图3 E-R图4 Linux编程系统实现TCP服务器端：#include #include #include #include #include #include #include #include #define portnumber 3333int main(int argc, char *argv) int sockfd,new_fd; struct sockaddr_in server_addr; struct sockaddr_in client_addr; int sin_size; int nbytes; char buffer1024; if(sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)=-1) / AF_INET:IPV4;SOCK_STREAM:TCP fprintf(stderr,Socket error:%sna,strerror(errno); exit(1); bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in); / 初始化,置0 server_addr.sin_family=AF_INET; / Internet server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); / (将本机器上的long数据转化为网络上的long数据)服务器程序能运行在任何ip的主机上 /INADDR_ANY 表示主机可以是任意IP地址，即服务器程序可以绑定到所有的IP上 /server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(); /用于绑定到一个固定IP,inet_addr用于把数字加格式的ip转化为整形ip server_addr.sin_port=htons(portnumber); / (将本机器上的short数据转化为网络上的short数据)端口号 if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr)=-1) fprintf(stderr,Bind error:%sna,strerror(errno); exit(1); if(listen(sockfd,5)=-1) fprintf(stderr,Listen error:%sna,strerror(errno); exit(1); while(1) sin_size=sizeof(struct sockaddr_in); if(new_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)(&client_addr),&sin_size)=-1) fprintf(stderr,Accept error:%sna,strerror(errno); exit(1); fprintf(stderr,Server get connection from %sn,inet_ntoa(client_addr.sin_addr); / 将网络地址转换成.字符串 if(nbytes=read(new_fd,buffer,1024)=-1) fprintf(stderr,Read Error:%sn,strerror(errno); exit(1); buffernbytes=0; printf(Server received %sn,buffer); if(write(new_fd,hello world!,14)=-1) fprintf(stderr,Write Error:%sn,strerror(errno); exit(1); close(new_fd); close(sockfd); exit(0);TCP客户端：#include #include #include #include #include #include #include #include #define portnumber 3333int main(int argc, char *argv) int sockfd; char buffer1024,buffer11024; struct sockaddr_in server_addr; struct hostent *host; if(argc!=2) fprintf(stderr,Usage:%s hostname an,argv0); exit(1); if(host=gethostbyname(argv1)=NULL) fprintf(stderr,Gethostname errorn); exit(1); while(1) if(sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)=-1) / AF_INET:Internet;SOCK_STREAM:TCP fprintf(stderr,Socket Error:%san,strerror(errno); exit(1); bz