移動網絡下高可靠即時通信系統的研究與應用

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1、移動網絡下高可靠即時通信系統的研究與應用 摘 要： 隨著移動互聯網時代的到來，出現了大量優秀的即時通信軟件，其中成熟的即時通信技術都不公開，而開源的即時通信框架存在較多問題，容易出現丟包、消息延遲。針對上述問題，設計了移動網絡下高可靠即時通信系統，彌補了開源通信框架設計中的不足，并提出對通用即時通信技術的改進方法。首先提出了高性能通信長鏈接和時間片輪轉算法，采用了消息握手協議和消息加密的方法，同時改進了通信鏈接狀態檢測算法，并提出雙服務權限認證方法，保證了即時通信系統的安全性。實驗中測試系統包含了設計的即時通信框架，實驗結果證明了系統的即時性和高可靠性 關鍵詞： 即時通信； 高性能長鏈接； 文

2、件傳輸； 通信恢復機制 中圖分類號： TN911?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）13?0023?04 Abstract： With the advent of the mobile Internet era， a lot of excellent instant messaging softwares appear. Since the mature instant messaging technology is unopened， and the instant messaging framework with open source exi

3、sts many problems， the communication system is prone to appear packet loss and message delay. In view of the above problems， a high?reliability instant communication system in mobile network was designed to make up the deficiency of open?source communication framework design. The improved method of

4、general instant communication technology is put forward， in which the high?performance communication long link and time slice round algorithm are proposed， the message handshake protocol and message encryption method are adopted， and the communication link state detection algorithm is improved. The

5、double service authentication method is proposed to ensure the safety of instant messaging system. The test system in the experiment includes the designed instant messaging framework. The experimental results can prove the instantaneity and high reliability of the systemy. Keywords： instant messagin

6、g； high?performance long link； file transfer； communication recovery mechanism 隨著移動網絡的發展，網絡聊天、視頻和語音在網絡通信中越來越受重視，從網絡通信應用軟件的用戶量可以看出，網絡即時聊天功能具有良好的用戶體驗1。在新開發的各類軟件尤其是手機應用軟件中，基本都會附帶即時通信功能。這是一種發展趨勢，網絡通信已經成為了用戶溝通的重要手段，漸漸地取代了傳統的書信、短信等通信方式，使用的用戶越來越多，同時用戶對即時通信技術的穩定性要求也越來越高。但由于成熟的即時通信技術不開源，而開源的即時通信技術只實現了基本的建立鏈接

7、，數據傳輸并沒有做任何優化，使得在使用過程中經常出現消息延遲、消息丟失等情況2 1 消息的即時傳輸 良好的用戶體驗對即時通信系統的消息傳輸具有較高的要求，尤其是消息的即時性。但在某些情況下，服務器并不能即時地將信息推送給接收者，存在著兩種主要情況3 （1） 客戶端與服務器之間的通信長鏈接不穩定。服務器資源限制和網絡問題的影響是客觀存在的，從理論的角度沒有辦法避免。但可以從其他方面解決通信鏈接的穩定性對消息即時傳輸產生的影響。提出的高性能長鏈接、通信鏈接的檢測和通信鏈接的恢復方法，有效地利用了服務器的資源，并保證鏈接斷開后能夠快速的恢復，從而保證消息的即時傳輸 （2） 同一時間服務器需要推送的消

8、息量較多。服務器轉發消息也需要消耗時間，當同一時間進行即時通信的用戶較多時，服務器來不及轉發新接收的消息，導致了消息的阻塞，從而影響了消息的即時性。因此采用消息的并發推送方法解決消息阻塞的問題4 1.1 高性能通信長鏈接 用戶量的不斷增加，服務器需要存儲的通信鏈接越來越多，但一些通信鏈接在某些時候并不會被使用。通過分析得出客戶端與服務器之間建立的通信長鏈接并不會隨時都被利用，某些時間會處于空閑狀態，為此提出了高性能通信長鏈接，盡量地減少客戶端空閑狀態下的鏈接時間，提高服務器的資源利用率，保證用戶量劇增時通信鏈接不會因為服務器的資源限制而斷開，從而保證消息的即時傳輸5。為了建立高性能通信鏈接，使

9、用時間片輪轉的算法。把用戶開始登陸客戶端的時間或者用戶發送消息的時間記為開始時間，從開始時間起，把時間分為等長的時間片段假設得到的時間片段如圖1所示。其中黑色區間表示在這個時間片段內用戶有消息需要接收。白色的區域表示用戶處于空閑狀態沒有消息需要接收。時間片輪轉算法的目的是保證用戶使用即時通信需要接收消息時，客戶端與服務器存在通信鏈接6。而用戶沒有使用即時通信時，客戶端與服務器之間不存在通信鏈接，從而釋放了服務器的資源。時間片輪轉算法的規則如下： （1） 當客戶端需要接收消息時，當前時間片為忙碌狀態。相反如果沒有消息需要接收，則當前時間片處于空閑狀態。當用戶登錄軟件后，默認第一個時間片為忙碌狀態

10、，并且客戶端向服務器發送建立通信鏈接的請求 （2） 如果當前時間片客戶端處于忙碌狀態，那么接下來的個時間片客戶端都將主動向服務器端發送建立鏈接的請求 （3） 如果當前時間片的前個時間片處于空閑狀態，那么當前時間片的鏈接狀態與前一個時間片的鏈接狀態相反。例如前一個時間片客戶端與服務器有通信鏈接，那么當前時間片客戶端將向服務器發送斷開鏈接的請求 （4） 如果當前時間片的前個時間片中的任何一個時間片客戶端處于忙碌狀態，那么當前時間片客戶端將向服務器發送建立鏈接的請求 1.2 通信鏈接的檢測和恢復 為了保證消息的即時傳輸，提高服務器長鏈接的效率，保證服務器與客戶端鏈接穩定，避免意外中斷情況的出現，采用

11、有效的長鏈接檢測方法和消息恢復方法7。理論上稱客戶端發送詢問信息的過程為心跳過程，心跳時間指客戶端向服務器發送詢問信息的間隔時間。為了避免客戶端頻繁地發送心跳信息，消耗能量，或者避免心跳時間過長，導致消息傳輸的延遲。本文提出了心跳時間衰減函數如下： （1） 式中：表示第時刻的心跳時間；表示第時刻的心跳時間；和表示時間衰減系數都是常量；表示最短的心跳時間間隔，同樣也是一個常量；表示最長的心跳時間間隔，也是一個常量；new表示客戶端發送了新的消息或者是服務器向客戶端推送了新的消息。心跳機制和時間片輪轉結合后，客戶端只有處于忙碌狀態時才會發送心跳信息。這樣既保證了通信鏈接的穩定，又節約了服務器的資源

12、 1.3 客戶端通信恢復機制 當客戶端啟動后，在客戶端的后臺會啟動兩個線程，在Android中使用Service服務，Service相當于Activity，只是沒有界面而是運行在后臺的服務。其中一個線程按照定時器的設定不停地向服務器發送心跳信息，確認客戶端與服務器的通信鏈接是否正常8。另外一個線程用于監聽服務器，接收服務器推送的消息。通過心跳機制，當客戶端檢測到與服務器的通信長鏈接斷開時，需要向服務器請求再次建立鏈接以及獲取離線數據 為了進一步降低服務器的數據處理壓力，提升用戶體驗。提出了一種獲取離線消息的方法，通過短鏈接的方式獲取離線消息9。短鏈接指的是客戶端向服務器發送請求會攜帶必要的參數

13、，而服務器做出響應時也會把客戶端想獲取的數據返回，當客戶端得到數據后鏈接就斷開，如圖2所示 基于這種方式，當客戶端與服務器的鏈接再次建立后，由客戶端主動發送獲取離線消息的請求，獲取離線消息可以使用HTTP協議?？蛻舳瞬挥冒l送確認信息，服務器在返回信息后可以直接清除數據庫中暫存的數據，同時服務器也不用每次都對新建立的鏈接做查詢操作，這樣大大減少了服務器的壓力，同時使獲取離線消息的過程變得清晰，不會出現消息重復的情況 1.4 消息并發推送 如果某一時刻發送消息的用戶較多，而服務器來不及把消息推送給目標客戶端，那么就會造成服務器需要推送的消息越來越多，最終導致服務器消息的阻塞。消息阻塞雖然不會導致消

14、息的丟失，但是會嚴重影響消息的即時傳輸，會給用戶帶來特別不好的使用體驗 為了解決這個問題，在服務器端使用了消息的并發機制。當服務器從客戶端接收到一條新的消息后，把消息存放在本地數據庫的同時也會把消息存放進一個隊列。而在服務器的后臺，即時通信系統會根據服務器處理器的使用情況開啟若干個線程，每一個線程所做的操作都相同，從隊列中取出一個消息，然后根據消息中的目標地址，查詢與其是否有通信鏈接，如果存在則把消息推送給客戶端，如果不存在則不做任何處理。這樣服務器可以在同一時間推送多條消息，有效地利用了服務器的資源，降低了消息阻塞的可能性 2 消息的可靠傳輸 2.1 消息握手協議 為了確保消息在傳輸過程中不

15、會出現丟失，提出了消息傳輸的握手協議。握手協議分為客戶端給服務器發送消息的握手和服務器給客戶端推送消息的握手。握手協議的本質是客戶端與服務器端約定的消息傳輸規則，握手的主要目的就是為了確保消息不會丟失 （1） 正向握手協議 正向握手協議是指客戶端向服務器端發送消息時消息的確認協議?？蛻舳诵枰l送消息時，會先把消息存放在本地數據庫中，然后再調用發送消息的接口，存入本地數據庫中的消息標記為未發送。如果服務器成功接收到消息，會給客戶端返回一個包含了消息ID的反饋信息，表示自己已經接收到消息，客戶端接收到反饋信息后，根據ID把本地數據庫中的消息標記為已經發送，這樣就完成了一次客戶端到服務器的握手。如果

16、沒有接收到服務器的反饋信息，那么客戶端將繼續向服務器發送這條消息 （2） 反向握手協議 反向握手協議指的是服務器端向客戶端推送消息時消息的確認協議。當服務器接收到客戶端的消息后，首先會把消息存在數據庫中，然后從消息中解析出接收人的地址信息，然后根據地址信息查找目標客戶端與自己是否有通信鏈接 2.2 文件傳輸協議 為了避免使用通信長鏈接傳輸文件，提出了文件和文件地址相分離的傳輸方法，文件存儲服務的提供商會提供文件上傳的相應接口，客戶端通過調用接口，上傳文件后，會得到一個文件的網絡地址，通過該網絡地址用戶就可以直接下載文件 3 高復用架構 3.1 服務器 消息即時傳輸系統具有高復用性，就不能與應用

17、軟件的功能結合，本文提出了單系統雙服務的系統架構。單系統指功能完全的應用軟件系統，而雙服務指為應用軟件提供了后臺服務的兩套服務系統：消息的即時通信系統和數據功能處理系統。這樣把消息和軟件功能分離后，就可以使消息的即時傳輸服務在任何應用軟件中使用，其功能模塊如圖3所示。 為了保證消息后臺服務器的安全性，本節提出了雙服務權限認證的方法。為了敘述簡便，把消息后臺服務器簡稱為消息系統，而應用軟件的數據處理服務器簡稱為功能系統，如圖4所示。通過這種方式，不僅增加了通信系統的安全性，同時也做到了功能的分離，使即時通信系統的后臺通用性更高 3.2 客戶端 客戶端和服務器的設計思想類似，單獨把即時通信的功能打

18、包封裝，僅對外提供數據的操作接口，如圖5所示?？蛻舳说募磿r通信主要包含五個功能：發送建立鏈接的請求；發送消息；接收消息；發送心跳信息；斷開通信鏈接，用戶退出系統時會調用斷開通信鏈接的功能，用于釋放服務器的資源。應用程序的客戶端添加即時通信的功能包后，只需要根據自己消息格式修改對本地數據庫的操作，對外提供的接口不變10 4 系統測試 4.1 測試系統介紹 測試系統的主要功能是用于學校老師、學生家長和學生之間的溝通，為學校管理學生帶來便利。同時也包含了即時通信的功能模塊，用于用戶之間的交流溝通，發送團隊公告信息和發送申請加入團隊的申請信息 應用系統在添加即時通信功能時，采用了本文設計的即時通信框架

19、。后臺使用了雙服務器設計，提供了一個獨立的消息系統和一個功能系統，兩個系統之間使用同一個權限緩存。消息系統主要負責處理與客戶端的消息通信，功能系統使用的是短鏈接，為客戶端提供了獲取數據的接口?？蛻舳思尤肓思磿r通信包，并按照自己的需求對數據存儲格式和數據讀取格式做了修改 服務器的配置是2 GB內存、雙核、2.6 GB的主頻，2 MB的網絡帶寬，客戶端使用Android系統的手機。把一個客戶端叫A，另一個客戶端叫B 4.2 實驗結果 測試過程中通過改變客戶端的工作狀態來模擬用戶的各種使用情況 測試1：參數設置：客戶端A、客戶端B同時登陸系統，客戶端A給客戶端B發送消息。測試結果：客戶端B能正常接收

20、到客戶端A發送的消息 測試2：參數設置：客戶端A、客戶端B同時登陸系統，客戶端A和客戶端B同時給對方發送消息。測試結果：客戶端A和客戶端B都能正常接收到對方發送的消息 測試3：參數設置：客戶端A登陸系統，向客戶端B發送消息?？蛻舳薆在客戶端A發送消息后，登陸系統。測試結果：客戶端A發送消息成功，客戶端B正常接收到客戶端A發送的消息 通過用例測試，應用程序中的即時通信功能在很多情況下正常使用，滿足了本文對即時通信框架功能的要求 壓力測試中，設置3個測試參數，并發人數、每個客戶端共發送消息的條數、每兩條消息發送的時間間隔（單位：ms）。對私人聊天、群聊天和發送通知進行了壓力測試，消息發送和接收的成

21、功率都在100%。但也有消息發送和接收不到100%，甚至有88%的成功率。通過分析可以發現，當消息發送成功率不高時，客戶端的在線人數和發送消息的量普遍偏高，發送消息的頻率也較快，而且發送成功率和這幾個參數之間還有反比的關系 因此可以得出結論，當消息發送成功率過低時，可能是受到了服務器硬件資源的限制。因為在線人數過多時，客戶端需要和服務器建立的通信長鏈接較多，如果同時還有多人發送群信息或者公告，那么服務器的資源將被消耗殆盡。因而會有一些通信鏈接中斷或者消息被阻塞 5 結 論 即時通信是網絡聊天的核心技術，本文從消息即時傳輸、消息可靠傳輸和高復用框架三個方面對現在的即時通信提出了改進方案。文中高性

22、能通信長鏈接有效地解決了普通通信長鏈接消耗資源的問題，并且消息傳輸效果并不會比普通通信長鏈接差。同時，在通信鏈接的檢測方法中提出了一個更加節約資源的心跳算法。加入了更高效的文件傳輸，利用第三方文件服務使文件傳輸更加可靠。然后，基于高復用框架設計了即時通信框架，減少了應用軟件開發的周期。最后通過對即時通信系統的功能和性能的測試，充分證明了本文設計的即時通信系統可靠性較高，完成了對即時通信系統的研究 參考文獻 1 葛福鴻，劉曉瑩，張麗萍.基于Socket技術的即時通信軟件的設計與實現J.電腦開發與應用，2011（5）：63?65. 2 劇忻，苗放.基于MINA開發高性能網絡應用程序J.重慶工學院學

23、報（自然科學版），2008，22（10）：121?125. 3 鄭志剛.Web服務組合執行引擎WebJetFlow的改進與優化D.長沙：湖南師范大學，2008：19?25. 4 陳航，趙方.基于服務器推送技術和XMPP的Web IM系統實現J.計算機工程與設計，2012（5）：12?15. 5 ZHOU T， LU Y. Examining mobile instant messaging user loyalty from the perspectives of network externalities and flow experience J. Computers in human b

24、ehavior， 2011， 27（2）： 883?889. 6 ZAMAN M， ANANDARAJAN M， DAI Q. Experiencing flow with instant messaging and its facilitating role on creative behaviors J. Computers in human behavior， 2010， 26（5）： 1009?1018. 7 潘鳳，王華軍，苗放，等.基于XMPP協議和Openfire的即時通信系統的開發J.計算機時代，2011（3）：15?19. 8 呂東，劉小河，王鴻飛，等.基于Android的實時視頻通信研究與實現J.現代電子技術，2014，37（1）：25?26. 9 王志國，侯銀濤，石榮剛，等.Android智能手機系統的文件實時監控技術J.計算機安全，2009（12）：55?56. 10 田源，潘晨光，丁杰.ProtocolBuffers在即時通信系統中的應用研究J.現代電子技術，2014，37（5）：32?34.