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C/S模式下的岸船間即時通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

劉煥敏，王華，朱笑然

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰214431)

摘要：設(shè)計并實現(xiàn)了一種C/S模式下的岸船間即時通信系統(tǒng)，詳細了闡述系統(tǒng)的架構(gòu)及各功能模塊，并對通信協(xié)議的選擇及信息安全機制進行了討論。該系統(tǒng)解決了測量船與陸上及與其他參試測量船即時通信和文件傳輸?shù)膯栴}。

關(guān)鍵詞：即時通信系統(tǒng)；C/S模式；XMPP協(xié)議

0引言

中國衛(wèi)星海上測控部承擔航天遠洋測控任務(wù)，任務(wù)期間各參試測量船分布地域相隔遙遠無通信鏈路連接，而岸船數(shù)據(jù)通信鏈路只能通過衛(wèi)星進行通信，在高時延、低帶寬的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)條件下，各參試單位間任務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸和共享十分困難。本文使用C/S模式構(gòu)建了岸船間即時通信系統(tǒng)，提高了測量船的工作效率、降低溝通成本、增強完成任務(wù)的能力。

即時通信簡稱instant messaging(IM)，是一種網(wǎng)絡(luò)溝通服務(wù)，使用者通過即時通信的終端可以進行2人或多人之間的實時溝通，交流內(nèi)容包括文字、圖像、語音、視頻及文件互發(fā)等[1-2]。本文設(shè)計適合陸上指揮中心與參試測量船之間使用的即時通訊系統(tǒng)，參試人員可以方便地互聯(lián)互通，無論在船上還是在岸上，可以方便的互通文字信息和傳送文件。同時滿足系統(tǒng)的可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性等要求。

1系統(tǒng)需求分析

1.1功能需求

在任務(wù)出海期間，陸上指揮所與參試測量船之間只能通過衛(wèi)星進行通信，通信帶寬不足2M、時延達500 ms以上，岸船間即時通信系統(tǒng)方便陸上指揮中心與各測量船之間的通信以及各測量船之間即時通信。其系統(tǒng)功能需求如圖1所述。

(1) 消息即時傳遞功能。岸船間即時通信系統(tǒng)使用人員進行即時交流，實現(xiàn)信息化協(xié)作；

(2) 文件傳輸功能。用戶之間可以方便的以點對點傳送文件，實現(xiàn)資源共享；

(3) 消息回執(zhí)功能。消息的發(fā)送方可以清楚的知道所發(fā)送消息的狀態(tài)，如接收方是否已經(jīng)閱讀了消息，保證了消息的有效性；

(4) 密碼簽收功能。對于一些重要的消息，消息的發(fā)送方可以要求消息的接收方輸入簽收密碼才可以看到消息，提高系統(tǒng)的安全性；

(5) 離線消息功能。如果消息的接收方不在線，消息可以暫時存放在服務(wù)器內(nèi)，待接收方上線后再發(fā)送給接收方；

(6) 離線文件傳輸功能。在用戶傳送文件時，如果接收方不在線，文件同樣可以保存在服務(wù)器內(nèi)，待接收方上線后收??；

(7) 通知廣播功能。可以將消息發(fā)給一定范圍內(nèi)的所有用戶；

(8) 通知簽收功能。可以要求收到通知的用戶簽收確認，為通知的發(fā)布方返回簽收報表；

(9) 組織機構(gòu)推送功能?？梢愿鶕?jù)權(quán)限自動導(dǎo)入組織機構(gòu)內(nèi)的全部或部分成員的ID號；

(10) 消息歷史備份。支持本地和服務(wù)器端雙重保存消息歷史記錄。用戶可以在本地查看消息歷史記錄。管理員可以在管理平臺導(dǎo)出消息記錄。

1.2性能需求

作為參試人員安全、簡便的辦公和溝通平臺，岸船間即時通信系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)通信的即時性以及通信過程和信息存儲的安全性，為使用者提供信息安全保障，同時減少系統(tǒng)資源的消耗，保證系統(tǒng)運行的低故障率[3]。具體要求下：

(1) 系統(tǒng)通信容量：系統(tǒng)可接納的用戶數(shù)量≥1 000；同時接入點數(shù)≥100。

(2) 系統(tǒng)通信可靠度：岸船數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)等待隊列長度≥256；數(shù)據(jù)同步支持2.4 kbit/s～20 Mbit/s同步速率可調(diào)；傳輸優(yōu)先級數(shù)≥16。

(3) 信息收發(fā)完整性與可靠性：系統(tǒng)用戶之間能隨時進行接收和發(fā)送信息，主要包括文本信息和文件信息，在保證數(shù)據(jù)能夠正確的到達同時，保證數(shù)據(jù)能夠被正確的解析，以防導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者錯位等情況出現(xiàn)。

(4) 通信安全性：保證用戶之間傳送文件或者消息的安全性，防止在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)沒有權(quán)限的第三方對數(shù)據(jù)進行讀取，下載，甚至修改。在本系統(tǒng)設(shè)計時對所有的消息和數(shù)據(jù)傳遞進行加密。無法通過網(wǎng)絡(luò)竊聽獲得用戶的身份和密碼等敏感信息，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容不能被截取。信息加密技術(shù)保障數(shù)據(jù)通信的安全性，同時盡量減少信息加解密過程對時間的開銷。

(5) 信息傳輸實時性：系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)的準實時同步分發(fā)能力，在網(wǎng)絡(luò)連通的情況下把文件庫隊列中的文件按照系統(tǒng)優(yōu)先級、內(nèi)部優(yōu)先級結(jié)合的方式分發(fā)到其它同步點， 同時從其他同步點接收到文件，并把文件參數(shù)通過輸入接口分發(fā)給相關(guān)子系統(tǒng)；當網(wǎng)絡(luò)中斷時，系統(tǒng)可將文件同步請求保存，將待同步文件信息加入文件庫隊列，等待鏈路恢復(fù)時再行同步。

圖1　岸船間即時通信系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1　IM Communication system between lands and ships function module

(6) 高效性：即時通信軟件一般在系統(tǒng)運行后是常駐系統(tǒng)內(nèi)存的，所以在軟件設(shè)計時我們必須保證軟件運行的高效率和軟件的低硬件開銷。

(7) 系統(tǒng)的可控性：系統(tǒng)可控性是指系統(tǒng)運行期間完成數(shù)據(jù)備份，數(shù)據(jù)存儲，故障恢復(fù)等任務(wù)的能力，其中包括用戶注冊管理，登錄身份驗證和信息反饋管理，用戶監(jiān)督管理等模塊的設(shè)計。

(8) 系統(tǒng)的穩(wěn)定性：系統(tǒng)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在長時間，大信息吞吐量情況下系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，不會發(fā)生內(nèi)存泄漏，系統(tǒng)資源不釋放等錯誤；防止程序崩潰或者異常終止。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

任務(wù)期間，各測量船與陸上指揮中心通過衛(wèi)星通信鏈路進行通信，而各測量船之間并沒有通信鏈路。整個岸船網(wǎng)絡(luò)分為陸上指揮局域網(wǎng)和各測量船局域網(wǎng)共4個域，每個域配置一臺即時通信服務(wù)器，負責管理本域內(nèi)登錄的用戶。4臺服務(wù)器構(gòu)成分布式架構(gòu)。以陸上指揮局域網(wǎng)服務(wù)器為中心，分別連接各測量船的服務(wù)器。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

岸船即時通信系統(tǒng)采用客戶機/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)模式(Client/Server模式)[4]。在C/S模式中，客戶方對服務(wù)器方發(fā)送信息請求，服務(wù)器方對其做出相應(yīng)回答并提供服務(wù)。服務(wù)進程一直處于休眠，直到一個客戶程序提出了請求信息，服務(wù)器程序被喚醒并且為客戶提供服務(wù)。該模型可以合理利用兩端硬件環(huán)境優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器，降低系統(tǒng)通信開銷[5]。

各局域網(wǎng)的客戶端之間通訊都通過陸上服務(wù)器進行轉(zhuǎn)交。發(fā)送方客戶端將消息傳送給本局域網(wǎng)服務(wù)器暫存，局域網(wǎng)數(shù)據(jù)庫與陸上數(shù)據(jù)庫采用數(shù)據(jù)庫增量同步模式進行同步后再與接收方客戶端所在域的服務(wù)器進行同步，最后由接收方服務(wù)器傳送給接收客戶端。在路由完成后，服務(wù)器內(nèi)緩存此次的路徑信息，以加速以后這2個用戶的消息傳遞。

2.2系統(tǒng)總體組織結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上的系統(tǒng)目標，設(shè)計一個滿足以上要求的即時通信系統(tǒng)，可劃分為5個層次。分別為：網(wǎng)絡(luò)通信層、協(xié)議解析層、基礎(chǔ)能力層、業(yè)務(wù)能力層以及用戶表示層。其層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

(1) 網(wǎng)絡(luò)通信層

處于系統(tǒng)最底層，為上層提供網(wǎng)絡(luò)支持，提供數(shù)據(jù)包發(fā)送的接口，并提供監(jiān)聽數(shù)據(jù)包的與數(shù)據(jù)包到達通知。

圖2　岸船即時通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure topology of IM communication system between lands and ships network

圖3　岸船即時通信系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Hierarchical chart of IM communication system between lands and ships

(2) 協(xié)議解析層

對網(wǎng)絡(luò)通信包進行封裝及解包，負責將上層的數(shù)據(jù)按照自定義的格式進行封包并提供給網(wǎng)絡(luò)傳輸層，或是從網(wǎng)絡(luò)傳輸層中得到通信包，按照自定義格式進行解包，并將解包后所得到的數(shù)據(jù)提交給上層的應(yīng)用。

(3) 基礎(chǔ)能力層

實現(xiàn)岸船即時通信系統(tǒng)的基本能力，向上層提供即時消息通信和文件傳輸以及數(shù)據(jù)安全。

(4) 業(yè)務(wù)功能層

岸船即時通信系統(tǒng)中的各項業(yè)務(wù)功能。比如離線消息、離線文件傳送、通知廣播、通知簽收、密碼簽收、消息歷史備份等豐富的功能。

(5) 用戶表示層

該模塊為與用戶交互界面，直接與用戶進行輸入輸出的交互。為用戶提供各種顯示的視圖及輸入輸出的接口。

2.3工作流程

由于各參試測量船之間沒有直接連接的通信鏈路，其通信是要通過陸上指揮所的服務(wù)器進行轉(zhuǎn)接的。以2條參試測量船為例，如果兩船進行通信，首先發(fā)送方選取接受用戶并撰寫消息或選擇發(fā)送的文件，進行協(xié)議封裝和加密進行網(wǎng)絡(luò)傳輸；使用數(shù)據(jù)更新增量抽取技術(shù)經(jīng)過指揮所服務(wù)器與接受方服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進行同步；接受方接受消息及文件并進行傳輸及協(xié)議解析、解密后還原消息內(nèi)容。其數(shù)據(jù)流傳輸過程如圖4所示。

2.4協(xié)議選擇

2.4.1通訊協(xié)議

TCP和UDP是TCP/IP協(xié)議族的2個主要協(xié)議。目前大多數(shù)即時通信系統(tǒng)采用UDP方式。與UDP方式相比：TCP協(xié)議采用面向連接的方式，可以為用戶提供點到點的可靠通信；采用流式傳輸，用戶不必關(guān)心數(shù)據(jù)分幀校驗等問題；支持雙工，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收可以同時進行。同時本系統(tǒng)安裝使用了衛(wèi)通協(xié)議加速器的，可以充分利用岸船帶寬，使TCP協(xié)議的通信代價已經(jīng)接近甚至低于UDP方式。因此，本系統(tǒng)采用TCP協(xié)議進行通訊[5]。

但是，采用TCP協(xié)議存在長連接問題。每個客戶端都與服務(wù)端建立一個TCP連接，這個連接從用戶登錄開始，直到用戶注銷才斷開。在通常的情況下，服務(wù)器端通常要維持數(shù)百甚至上千個連接，對服務(wù)器是很大的壓力。另外，由于即時通訊的特點，TCP連接大部分時間是沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)模绻蛻舳顺霈F(xiàn)故障退出，服務(wù)器端不會得到通知，依然維持連接。最終可能出現(xiàn)連接數(shù)耗盡而無法提供服務(wù)。

圖4　岸船即時通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖Fig.4　Data flowchart IM communication system between lands and ships

針對這種情況，可以采用間斷連接方式，在有數(shù)據(jù)傳輸時，客戶端和服務(wù)器端維持連接，如果一定時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸，就斷開連接，釋放資源給其他用戶，在需要傳送數(shù)據(jù)時再重新連接[6]。

2.4.2消息傳送協(xié)議的選擇

XMPP(可擴展消息處理現(xiàn)場協(xié)議)是一個開放式的基于可擴展標記語言(XML)的協(xié)議，它用于即時消息(IM)以及在線現(xiàn)場探測，旨在促進通信實體之間的準即時操作[7]。同目前各種封閉的即時通訊協(xié)議相比，XMPP具有以下優(yōu)點[8]：

(1) 開放性

XMPP的信息格式是標準化的XML格式，任何企業(yè)和個人都可以在所需要的任何工程中使用XMPP協(xié)議，并且可以實現(xiàn)不同系統(tǒng)消息的互通。

(2) 可擴展性

XMPP協(xié)議是一種基于XML流元素的傳輸協(xié)議，由于XML本身就是一種標準化且擴展性良好的標記語言，XMPP協(xié)議傳輸?shù)木褪墙Y(jié)構(gòu)化的XML元素。在只要滿足XMPP協(xié)議傳輸?shù)腦ML節(jié)元素結(jié)構(gòu)之下，可以很容易的添加新的屬性或包含新的子節(jié)點來擴展現(xiàn)有的協(xié)議功能。

(3) 安全性：

XMPP協(xié)議規(guī)定，一個安全的消息傳輸必須經(jīng)過TLS安全傳輸層協(xié)議、SASL簡單驗證和安全層協(xié)議多層的驗證，采用多種強度算法如BIGEST-MDS、KERBEROSV4、PLAIN等多種加密算法和簽名證書認證的方法保證流傳輸?shù)陌踩匦?，這使得消息傳輸就有較高的安全性。

2.5系統(tǒng)軟件架構(gòu)

客戶端和服務(wù)器端采用基本相同的軟件架構(gòu)，所不同的是：客戶端只處理本地用戶的操作，完成用戶的登錄、注銷、注冊、狀態(tài)改變、發(fā)送消息和發(fā)送文件等請求，接收服務(wù)器端傳送回來的各種結(jié)果，根據(jù)結(jié)果改變各種狀態(tài)，并繼續(xù)產(chǎn)生各種請求。而服務(wù)器端接收所有用戶的請求并給出相應(yīng)的響應(yīng)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)，維持所有用戶的狀態(tài)，保存用戶的信息。

依據(jù)功能，客戶端和服務(wù)器端軟件可以分為3個大部分[9]：

(1) 異步的網(wǎng)路通訊socket組件；

(2) 與工廠模式相結(jié)合的快速XML解析器；

(3) 輕量級的XM Dom，作為所有XMPP協(xié)議類的基礎(chǔ)。

異步的網(wǎng)絡(luò)通訊socket可以異步的發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)包來時，socket組件通知程序接收數(shù)據(jù)，為每一個連接建立一個session。每一個session對象都包含有一個XML解析器對象。Session傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)過解壓縮和解密后，形成XML數(shù)據(jù)流。

XML解析器對XML數(shù)據(jù)流解析，將其分解為一個個的信息Packet，然后將信息Packet加入Pack-et隊列。

XMPP協(xié)議工廠從隊列中取出Packet，根據(jù)Packet中的信息創(chuàng)建相應(yīng)的處理類對象實例[3]。處理類對象實例從Packet中取出信息處理。處理的結(jié)果通過XML構(gòu)造器形成XML數(shù)據(jù)流，通過session索引找到匹配的session后，利用session保存的連接信息將加密壓縮后的XML數(shù)據(jù)流發(fā)送給接收者。其處理流程圖如圖5所示。

圖5　岸船即時通信系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖Fig.5　Software architecture diagram IM communication　　　　system between lands and ships

3信息安全機制

3.1XMPP協(xié)議的安全機制

XMPP協(xié)議提供的安全措施有TLS和SALS[10]。

安全傳輸層協(xié)議(transport layer security，TLS)用于在2個通信應(yīng)用程序之間提供保密性和數(shù)據(jù)完整性，TLS協(xié)議包括2個協(xié)議組：TLS記錄協(xié)議和TLS握手協(xié)議。使用TLS，可以防止XML流被偷聽和篡改，保證流的安全以及數(shù)據(jù)的完整。簡單的身份驗證和加密協(xié)議層(simple authentication and security layer，SASL)是一種通用的身份驗證機制，可以集成到各種協(xié)議中去，可以提供通信雙方的身份認證措施。當來那個實體間要求安全通信的時候，在發(fā)送實際的消息XML流之前，必須進行TLS握手和SASL驗證。

這個次序的原理是：TCP是基于連接的層，被所有層使用，所以處于最底層，TLS經(jīng)常是由操作系統(tǒng)層提供，SASL經(jīng)常由應(yīng)用程序?qū)犹峁?，XMPP則是應(yīng)用程序本身[11]。

3.2數(shù)據(jù)傳輸安全機制

系統(tǒng)中的用戶權(quán)限機制分為身份驗證、訪問控制2方面依托于上層整個岸船間指揮系統(tǒng)進行。岸船間指揮系統(tǒng)根據(jù)不同用戶的不同身份驗證資料，在各個應(yīng)用層面，賦予用戶不同的訪問權(quán)限。

即時通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信中，采用消息加密后再傳輸，確保消息在各個通路之間的傳輸安全。本系統(tǒng)采用DES加密算法進行數(shù)據(jù)加密以避免即時通信消息、文件等明文傳遞造成的網(wǎng)絡(luò)安全隱患問題。DES算法是對稱的，既可以用于加密也可以用于解密[12]。岸船即時通信系統(tǒng)軟件處理流程圖如圖6所示。

圖6　岸船即時通信系統(tǒng)軟件處理流程圖Fig.6　Flow chart of software processing IM communication system between lands and ships

4結(jié)束語

本文從實際需求出發(fā)，設(shè)計了一種C/S模式下的岸船間即時通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了測量船出海期間無法與陸上及與其他測量船之間進行及時通信和傳輸文件的問題。該系統(tǒng)經(jīng)過多次試驗任務(wù)驗證，運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了客戶端點對點準實時的通信。本文的下一步工作需要在音頻、視頻等多媒體形式的即時通信方面進行進一步研究，在遠程視頻會議及故障診斷中有進一步的應(yīng)用。

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Design and Implementation of a Instant Messaging System Based on C/S Pattern Between Lands and Ships

LIU Huan-min, WANG Hua,ZHU Xiao-ran

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangsu Jiangyin 214431，China)

Abstract:An instant messaging system based on C/S pattern between lands and ships is designed and implemented.The structure and function modules are expounded in details. Meanwhile, communication protocol and security mechanism arefully discussed. The problem that instant communication and files transmission are difficult between lands and ships inmission period is solved.

Key words:instant massaging ; C/S pattern；XMPP protocol

中圖分類號：TN92;TP391

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0069-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.012

通信地址：214431江蘇省江陰市103信箱505號E-mail：liuhuanmin@126.com

作者簡介：劉煥敏(1973-)，女，安徽蚌埠人。高工，碩士，主要研究方向為航天測控任務(wù)仿真等。

* 收稿日期：2014-05-24；
修回日期：2014-07-18