基于Qt的安全即時(shí)通訊軟件服務(wù)器端設(shè)計(jì)

竇立君　韓坷罕　閆志剛

【 摘 要 】 論文詳細(xì)介紹了如何基于Qt開發(fā)具有用戶注冊(cè)、用戶資料維護(hù)、用戶列表下發(fā)、登錄校驗(yàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)、文件傳輸?shù)裙δ艿陌踩磿r(shí)通訊軟件服務(wù)器端。

【 關(guān)鍵詞 】 qt；消息轉(zhuǎn)發(fā)；服務(wù)器端；文件傳輸

Design of Network Chat Software Server Based on Qt

Dou Li-jun 1 Han Ke-han 1 Yan Zhi-gang 2

（1.Nanjing Forestry University JiangsuNanjing 210037；2.Dongfang Electronics Co.，Ltd. ShandongYantai 264000）

【 Abstract 】 The paper describes in detail how to develop a secure instant messaging server， which is based on Qt， which is user registration， user data maintenance， user list， login verification， message forwarding， file transfer and so on.

【 Keywords 】 qt； message forwarding； server； file transfer

1 引言

隨著聊天軟件應(yīng)用在人們生活中各方面，人們也變得越來(lái)越重要重視聊天軟件的存在，因?yàn)榱奶燔浖诤艽蟪潭壬蠟槿嗣竦纳钷k公提供了便利，人們可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息的有效收集和整理，以及與不同地方的人交流。

目前的聊天軟件基本都是由服務(wù)器端和客戶端兩部分組成，客戶端有Web版的和本地版的，無(wú)論哪種版本，它們都需要通過(guò)與服務(wù)器端的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)最終功能。

本文通過(guò)對(duì)服務(wù)器端的功能分析、安全性、工作流程、關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)等方面，來(lái)闡述安全聊天軟件服務(wù)器端的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 系統(tǒng)分析

服務(wù)器聊天系統(tǒng)很重要的組成部分，所以對(duì)于服務(wù)器的功能需求分析是非常重要的，正確完整的分析，是成功構(gòu)建一個(gè)聊天系統(tǒng)服務(wù)器的第一步。

能夠成功地分析好服務(wù)器的需求，對(duì)于后面設(shè)計(jì)服務(wù)器的模塊工作是不可或缺的，所以在這里，首先進(jìn)行的就是關(guān)于這個(gè)即時(shí)聊天系統(tǒng)服務(wù)器的需求分析。

2.1 登錄校驗(yàn)

輸入：來(lái)自客戶端的用戶名和密碼；

處理流程：與數(shù)據(jù)庫(kù)中的用戶名和密碼匹配，并反饋結(jié)果給客戶端；

輸出：匹配成功或失敗。

2.2 用戶注冊(cè)

輸入：來(lái)自客戶端的用戶名和密碼；

處理流程：在數(shù)據(jù)庫(kù)中寫入新用戶名和密碼，并反饋結(jié)果給客戶端；

輸出：新建成功或失敗。

2.3 消息轉(zhuǎn)發(fā)

輸入：客戶端所發(fā)送的聊天信息；

處理流程：根據(jù)所要發(fā)送到的用戶名進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，用戶不在線時(shí)另作處理；

輸出：轉(zhuǎn)發(fā)信息給發(fā)往方。

2.4 文件傳輸

輸入：客戶端所發(fā)送的文件數(shù)據(jù)；

處理流程：直接轉(zhuǎn)發(fā)到發(fā)往方；

輸出：轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給發(fā)往方。

2.5 用戶資料維護(hù)

輸入：客戶端所發(fā)送的更新請(qǐng)求；

處理流程：按請(qǐng)求更新數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；

輸出：更新成功或失敗。

2.6 用戶列表下發(fā)

輸入：用戶登錄成功；

處理流程：當(dāng)某用戶登錄成功后，下發(fā)在線用戶列表給該用戶；

輸出：在線用戶列表。

根據(jù)服務(wù)器端的需求分析，進(jìn)行功能模塊的劃分：封包解析模塊、封包生成模塊、封包分發(fā)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、用戶注冊(cè)模塊、用戶登錄模塊、文本信息轉(zhuǎn)發(fā)模塊、離線文本信息轉(zhuǎn)發(fā)模塊、文件傳輸模塊、用戶列表下發(fā)模塊、用戶資料模塊、超時(shí)檢測(cè)模塊，這些模塊既有獨(dú)立完成相關(guān)功能，也有相互協(xié)調(diào)，合作完成最終任務(wù)。

3 安全性分析

現(xiàn)在大家使用的安全即時(shí)通訊軟件基本都是使用數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。UDP和傳輸控制協(xié)議TCP都是傳輸層協(xié)議，但UDP是一種面向無(wú)連接的傳輸協(xié)議，這種協(xié)議在進(jìn)行雙方數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)送方只要知道接收方的地址和端口號(hào)就可以向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)。這種協(xié)議帶來(lái)高速便捷的數(shù)據(jù)傳輸，但不提供數(shù)據(jù)傳送的安全保障機(jī)制，因此數(shù)據(jù)包傳輸不可靠，丟包率高。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)要設(shè)計(jì)一種機(jī)制來(lái)對(duì)用戶傳遞的數(shù)據(jù)提供一種丟失檢測(cè)。

對(duì)于文件傳輸，如果是在同一局域網(wǎng)內(nèi)，或者雙方都具有公網(wǎng)IP，只要直接建立TCP連接就可以傳文件。但是，在互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)際的情況比這更要復(fù)雜，客戶端有可能處于同一NAT或不同的NAT之內(nèi)，客戶端之間要直接通信比較困難。在此處的文件傳輸案例中，就可以使用“TCP”打洞技術(shù)，或者通過(guò)服務(wù)器中轉(zhuǎn)，來(lái)穿透NAT進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

4 工作流程

有了完整的模塊劃分，現(xiàn)在需要的就是構(gòu)建服務(wù)器的工作流程，讓服務(wù)器運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。本聊天服務(wù)器的核心工作流程，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是不斷把消息包分類攤派到各個(gè)不同處理模塊上的過(guò)程。

服務(wù)器在指定的端口上偵聽數(shù)據(jù)包，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后，首先調(diào)用封包解析模塊對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，獲取命令類型后，再根據(jù)命令類型的不同來(lái)調(diào)用不同的模塊。不同的模塊處理完成后，再調(diào)用封包生成模塊來(lái)打包結(jié)果，把處理結(jié)果發(fā)送給客戶端。

當(dāng)接收到的是登錄命令時(shí)，將調(diào)用登錄管理模塊來(lái)判斷是否可以登入系統(tǒng)，不管是否能登入，都把結(jié)果打包返回給客戶端。如果能成功登入，則繼續(xù)調(diào)用用戶列表下發(fā)模塊，把在線用戶列表打包發(fā)送給客戶端。

當(dāng)接收到的是注冊(cè)命令時(shí)，將調(diào)用用戶注冊(cè)模塊來(lái)往系統(tǒng)中添加新用戶，注冊(cè)模塊會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行處理，然后把結(jié)果打包返回給客戶端。

當(dāng)接收到的是資料更新命令時(shí)，將調(diào)用資料管理模塊，資料管理模塊又會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行處理，處理完成后，把結(jié)果反饋給客戶端。

當(dāng)接收到的是文本消息時(shí)，將調(diào)用文本消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊進(jìn)行處理，該模塊從解析得到的結(jié)果中，獲取所要發(fā)送往的客戶端，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如果檢測(cè)到所要發(fā)往的客戶端不在線，則轉(zhuǎn)入離線消息模塊處理。

用戶登錄后，客戶端會(huì)定時(shí)發(fā)送心跳包到服務(wù)器，服務(wù)器自動(dòng)維護(hù)此在線狀態(tài)列表，并定時(shí)執(zhí)行超時(shí)檢測(cè)模塊，把超時(shí)的用戶從在線列表中刪除。

5 關(guān)鍵代碼設(shè)計(jì)

聊天服務(wù)器的工作流程比較簡(jiǎn)單，即：收到消息→處理消息→轉(zhuǎn)發(fā)處理后的消息。聊天服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)在特定的端口監(jiān)聽，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，自動(dòng)判斷消息類型，進(jìn)行不同的處理，然后根據(jù)處理結(jié)果，把它發(fā)送給客戶端。實(shí)現(xiàn)中，消息的接收和發(fā)送，以及判斷消息類型，都比較簡(jiǎn)單，工作量較大的則是處理消息的部分。因?yàn)橛泻芏嗖煌拿?，?duì)應(yīng)的，也有不同的處理過(guò)程，所以設(shè)計(jì)中，把這些處理過(guò)程分離成單獨(dú)的處理邏輯，在類中表現(xiàn)為不同的函數(shù)。本模塊的設(shè)計(jì)并不包含圖形用戶界面相關(guān)的部分，當(dāng)最終的服務(wù)器軟件需要搭配圖形界面時(shí)，只需要在聊天服務(wù)器模塊中定義相關(guān)的信號(hào)，并在合適的時(shí)候發(fā)出信號(hào)。圖形界面程序就可以通過(guò)聊天服務(wù)器模塊的信號(hào)和它的槽進(jìn)行連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示更新等功能。

5.1 聊天服務(wù)器端的類定義

為了利用Qt的信號(hào)和槽功能，聊天服務(wù)器類直接從QObject繼承，具體代碼如下 ：

class ChatServer ： public QObject

{ Q_OBJECT

public：

explicit ChatServer（QObject *parent = 0）；

void start（quint16 port=4500）； //啟動(dòng)服務(wù)

private：

void registerUser（const QString& id， const QString& password， const QHostAddress& addr， quint16 port）；//注冊(cè)用戶

bool login（const QString& id， const QString& password， const QHostAddress& addr， quint16 port）；//用戶登錄

void relayMessage（const QString& to， const QString& message， const QFont& font， const QColor& color， const QHostAddress& addr， quint16 port）；//轉(zhuǎn)發(fā)聊天消息

void sendFriendsList（const QHostAddress& addr， quint16 port）； //發(fā)送用戶列表

void feedback（const QHostAddress& addr， quint16 port）； //反饋

void logout（const QHostAddress& addr， quint16 port）； //注銷

void keepAlive（const QHostAddress& addr， quint16 port）； //激活

QUdpSocket *m_udpSender； //發(fā)送數(shù)據(jù)的UDP對(duì)象

QUdpSocket *m_udpReceiver； //監(jiān)聽數(shù)據(jù)的UDP對(duì)象

QHash m_nameHash； //名字表

QHash m_hostHash； //主機(jī)表

QHash m_aliveTimeHash； //激活狀態(tài)表

Storage m_storage； //數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)象

enum {onlineTimeout = 30}； //在線超時(shí)時(shí)間

private slots：

void processPendingDatagrams（）； //網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理

void checkTimeout（）； //檢查超時(shí)狀態(tài)

}；

在ChatServer類的實(shí)現(xiàn)中，需要注意名稱表、主機(jī)表以及激活狀態(tài)表的維護(hù)，它們是維持服務(wù)器工作狀態(tài)的核心。為了實(shí)現(xiàn)快速查詢，這幾張表都采用Qt中的哈希表QHash進(jìn)行存儲(chǔ)。如：名稱表是用戶名到（主機(jī)，端口號(hào)）的映射，即通過(guò)用戶名可以查詢到對(duì)應(yīng)的主機(jī)地址和端口號(hào)，在轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)就要使用到名稱表。

5.2 超時(shí)檢測(cè)

超時(shí)檢測(cè)功能由定時(shí)器自動(dòng)執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)隔固定時(shí)間更新一次在線狀態(tài)的功能。當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)間點(diǎn)時(shí)，程序開始遍歷激活狀態(tài)表中的所有用戶，檢查其最后一次的心跳包時(shí)間與當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間的差值是否超過(guò)指定的預(yù)期，如果沒(méi)有，則表示用戶仍然正常在線，如果超時(shí)，則作自動(dòng)注銷處理。具體代碼如下：

void ChatServer：：checkTimeout（）

{ QList keys = m_aliveTimeHash.keys（）； //查詢所有用戶名

QDateTime now = QDateTime：：currentDateTime（）； //獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間

for （int i = 0； i < keys.length（）； ++i） //遍歷所有用戶

{ if （m_aliveTimeHash.value（keys.at（i））.secsTo（now） > onlineTimeout） //檢查用戶是否超時(shí)

{ qDebug（） << trUtf8（"%1 timeout"）.arg（keys.at（i））；

QStringList list = keys.at（i）.split（" "）；

QHostAddress addr；

addr.setAddress（list.at（0）.toInt（））；

quint16 port = list.at（1）.toInt（）；

logout（addr， port）； //用戶超時(shí)的時(shí)候作注銷處理

}}}

6 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)鍵代碼介紹之后，其它功能的代碼的接口規(guī)范及實(shí)現(xiàn)也就相對(duì)容易了，這里就不再作介紹。服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)完成之后，配合客戶端軟件完成了消息的傳遞及轉(zhuǎn)發(fā)，客戶端文件的傳輸及服務(wù)器端日志的記錄等功能。后期，還需要繼續(xù)在數(shù)據(jù)的傳輸安全性和可靠性方面做好優(yōu)化，做好客戶端其它的擴(kuò)展功能的支持，提高客戶端用戶對(duì)服務(wù)器端響應(yīng)和支持的體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：

基于MDA技術(shù)的Web應(yīng)用平臺(tái)研究（科技創(chuàng)新）（163070054）； 軟件服務(wù)外包專業(yè)實(shí)訓(xùn)體系改革（高教研究）（163070644）。

作者簡(jiǎn)介：

竇立君（1977-），男，江蘇泰州人，碩士；主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。