基于Java語言的即時(shí)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜瑞慶 李一諾

摘要：即時(shí)通訊系統(tǒng)在日常工作與生活中有著不可或缺的作用。文中對(duì)當(dāng)下即時(shí)通訊軟件的現(xiàn)狀與痛點(diǎn)進(jìn)行了分析，并基于此設(shè)計(jì)一款輕量化的即時(shí)通訊系統(tǒng)。文章使用Java語言，基于C/S架構(gòu)來探究并進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，用巧妙的方法使系統(tǒng)突破了局域網(wǎng)的限制，通過系統(tǒng)的客戶端、服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)步驟。

關(guān)鍵詞：即時(shí)通訊系統(tǒng)；Socket；Java；文件發(fā)送；多線程；C/S

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）31-0029-04

1 引言

QQ、微信等即時(shí)通訊應(yīng)用，早已成為了人們生活中不可或缺的部分。但歷經(jīng)幾年的開發(fā)，其內(nèi)容由于更新趨于臃腫，存儲(chǔ)空間耗費(fèi)也隨著增加，且數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定性也未能獲得顯著的提高，因而該類應(yīng)用對(duì)于要求精簡(jiǎn)和安全的用戶并不合適。

論文使用Java語言實(shí)現(xiàn)一款輕量化的即時(shí)通訊系統(tǒng)。其在保證用戶基本操作的基礎(chǔ)上，摒棄了當(dāng)今即時(shí)通訊軟件大部分過于臃腫的功能。信息在傳輸過程中會(huì)被全程加密，保證用戶在溝通時(shí)的信息安全。并且基于Java語言健壯、安全、跨平臺(tái)的特性，用戶可以在任意操作系統(tǒng)上運(yùn)行此系統(tǒng)的同時(shí)，防范各種攻擊[1]。這些都對(duì)用戶協(xié)同效率的提升有著重要的作用。

2 系統(tǒng)需求

設(shè)計(jì)一個(gè)即時(shí)通訊軟件系統(tǒng)，要求每個(gè)用戶有獨(dú)立的客戶端。

1） 客戶端需要登錄才可以進(jìn)入，并帶有注冊(cè)頁面。登錄和注冊(cè)頁面需帶有判斷輸入合法性的功能。

2） 用戶可以通過客戶端發(fā)送文本，上傳文件。且接收者會(huì)實(shí)時(shí)收到消息。

3）用戶可以查看消息記錄，并可以下載消息記錄中的文件。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

程序?yàn)?C/S 架構(gòu)。客戶端負(fù)責(zé)信息的顯示、與服務(wù)端進(jìn)行消息的收發(fā)操作。服務(wù)端負(fù)責(zé)信息的收集、存儲(chǔ)、處理、發(fā)送。

3.2 客戶端設(shè)計(jì)

1） 登錄與注冊(cè)：系統(tǒng)可以判斷輸入是否為空、輸入是否合法。對(duì)于登錄功能，系統(tǒng)還可以判斷賬號(hào)是否存在、密碼是否正確；對(duì)于注冊(cè)功能，系統(tǒng)還可以判斷賬號(hào)或用戶名是否重復(fù)、兩次密碼是否一致。任何錯(cuò)誤導(dǎo)致無法登錄或注冊(cè)，系統(tǒng)都會(huì)清空一些已經(jīng)輸入的信息。

2） 消息發(fā)送：用戶可以將文本寫入到輸入框中，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕發(fā)送。也可以通過“選擇文件”按鈕發(fā)送文件。

3） 安全傳輸：信息在發(fā)送前會(huì)經(jīng)過特殊加密，直至目標(biāo)客戶端收到才會(huì)被解密。

4） 消息接收：客戶端的后臺(tái)可以實(shí)時(shí)接收由服務(wù)器發(fā)送的其他用戶的消息。

5） 消息顯示：客戶端可以在聊天框中實(shí)時(shí)顯示用戶本機(jī)發(fā)送的消息與其他用戶的消息。

6） 消息記錄查看：用戶可以查看到歷史的消息，即使此用戶之前為離線狀態(tài)。

7） 文件下載：如果消息是文件類型，用戶可以將其下載到本機(jī)的任何位置。

3.3 服務(wù)端設(shè)計(jì)

1） 登錄與注冊(cè)：可以判斷登錄與注冊(cè)中涉及數(shù)據(jù)庫的操作。如賬號(hào)是否存在，密碼是否錯(cuò)誤，用戶名是否已經(jīng)存在等。

2） 消息接收：實(shí)時(shí)接收任何客戶端發(fā)送的消息，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。若此消息是文件，系統(tǒng)還會(huì)將文件儲(chǔ)存到服務(wù)器端，以供以后的下載操作。

3） 消息發(fā)送：處理收到的消息后，將消息轉(zhuǎn)發(fā)到所有其他的客戶端。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

1） 數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ER 圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)滿足第三范式[2]。聊天平臺(tái)中可以有多個(gè)用戶，多條消息。每個(gè)用戶可以發(fā)送多條消息，一條消息只可以來自于一個(gè)用戶。

2） 數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用戶（用戶編號(hào)，賬號(hào)，用戶名，密碼，地址，是否在線）。

消息（消息編號(hào)，消息內(nèi)容，消息類型，消息發(fā)送者id，消息接收者id，消息發(fā)送時(shí)間，文件路徑）。

3） 數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.5 通訊模型

1） 登錄與注冊(cè)

在對(duì)用戶輸入的合法性進(jìn)行檢測(cè)后，客戶端會(huì)將注冊(cè)或登錄信息封裝為HTTP請(qǐng)求并發(fā)送至服務(wù)器端，服務(wù)器端會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)庫進(jìn)一步檢查數(shù)據(jù)的合法性。若數(shù)據(jù)合法，服務(wù)器會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫，并將代表成功的響應(yīng)發(fā)送回客戶端。反之將代表失敗的響應(yīng)發(fā)送回客戶端?？蛻舳烁鶕?jù)響應(yīng)的成功與否決定跳轉(zhuǎn)至下一步或者提醒用戶重新輸入。

2） 消息發(fā)送

服務(wù)器端在啟動(dòng)的同時(shí)會(huì)在特定端口創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket來接收來自客戶端的承載著消息的Socket。用戶按下發(fā)送按鈕后，消息類型、消息內(nèi)容、發(fā)送時(shí)間、發(fā)送者和接收者等信息會(huì)被封裝并通過Socket發(fā)送至服務(wù)器。當(dāng)收到Socket消息后，服務(wù)器對(duì)不同類型的消息會(huì)做出不同的操作。若消息不包含文件，服務(wù)器會(huì)將消息內(nèi)容等信息存入數(shù)據(jù)庫。若消息包含文件，由于文件的內(nèi)容過大無法存入數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器會(huì)將文件通過IO流存儲(chǔ)到服務(wù)器本地的磁盤，由文件的存儲(chǔ)路徑代替文件的內(nèi)容存入數(shù)據(jù)庫。之后如果有客戶端想獲取文件，服務(wù)器可以通過數(shù)據(jù)庫中的文件路徑找到文件。

3） 消息接收

Socket可以實(shí)現(xiàn)不同主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，但這種數(shù)據(jù)傳輸一般只會(huì)在同一個(gè)域中發(fā)生。各種進(jìn)程使用這個(gè)相同的域互相之間用Internet協(xié)議簇來進(jìn)行通信[3]。用戶發(fā)送消息后需要服務(wù)器通知接收方，但由于客戶端一般與服務(wù)器處于不同域，若使用Socket，服務(wù)器想要訪問到客戶端難度非常大。比較理想的解決方案是客戶端主動(dòng)向處于公網(wǎng)的服務(wù)器端請(qǐng)求，以查詢是否有用戶向自己發(fā)送了消息。解決方案可以根據(jù)服務(wù)端響應(yīng)的時(shí)機(jī)不同分為兩種：

①短輪詢：客戶端每隔一秒向服務(wù)器端請(qǐng)求一次。無論是否有消息，服務(wù)端都會(huì)做出響應(yīng)?？蛻舳烁鶕?jù)相應(yīng)的內(nèi)容判斷是否有新消息。

②長輪詢：客戶端向服務(wù)器請(qǐng)求，服務(wù)端會(huì)將請(qǐng)求掛起，直至有新消息才會(huì)響應(yīng)?？蛻舳瞬恍枰袛嗍欠裼行孪?。服務(wù)端響應(yīng)后，客戶端會(huì)立即再發(fā)送一次請(qǐng)求。

如果查詢到有用戶向自己發(fā)送了新消息，客戶端則根據(jù)消息類型的不同將消息打印至客戶端。由于請(qǐng)求過程需要線程掛起等待，故客戶端會(huì)專為消息的接收開辟一個(gè)新的線程。

4） 文件下載

文件下載請(qǐng)求的通訊模型較為簡(jiǎn)單。由客戶端向服務(wù)端發(fā)送指定文件的下載請(qǐng)求，服務(wù)端收到請(qǐng)求后，會(huì)根據(jù)指定文件在數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的文件路徑找到本地的文件，并將文件轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制流響應(yīng)給客戶端。客戶端收到后會(huì)將二進(jìn)制流轉(zhuǎn)化為文件存儲(chǔ)到用戶指定的位置。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 登錄與注冊(cè)判斷

登錄與注冊(cè)判斷會(huì)分兩步，第一步是由本地客戶端判斷的格式錯(cuò)誤（輸入為空、輸入不合法）和服務(wù)器需要調(diào)用數(shù)據(jù)庫判斷的錯(cuò)誤（登錄時(shí)賬號(hào)不存在、注冊(cè)時(shí)用戶名重復(fù)等）。只有這兩步都未出現(xiàn)錯(cuò)誤，登錄才可以成功。

在用戶點(diǎn)擊登錄或注冊(cè)按鈕時(shí)，客戶端會(huì)掃描所有輸入框體的內(nèi)容，如果發(fā)現(xiàn)空值，則向用戶提示錯(cuò)誤。如果輸入不為空，則繼續(xù)判斷輸入是否合法。如賬號(hào)密碼只能由字母與數(shù)字組成，若輸入不符合這一規(guī)定，則向用戶提示錯(cuò)誤。如果未發(fā)現(xiàn)格式錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)使用Http請(qǐng)求將用戶輸入的信息發(fā)送至服務(wù)器繼續(xù)判斷。

服務(wù)器收到用戶輸入的信息后會(huì)結(jié)合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行判斷，并將成功與否返回至客戶端。

4.2 信息的發(fā)送與接收

客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)根據(jù)信息類型的不同對(duì)信息做不同的封裝。服務(wù)器端會(huì)收集到客戶端的四種消息，格式為字符串，表示如下：

文本消息：text&發(fā)送者id&發(fā)送時(shí)間&接收者id&消息內(nèi)容

文件消息：file&發(fā)送者id&發(fā)送時(shí)間&接收者id&文件名稱&文件二進(jìn)制編碼

下載請(qǐng)求：download&此文件的發(fā)送者&發(fā)送時(shí)間&請(qǐng)求者id

歷史記錄請(qǐng)求：history&請(qǐng)求者id&目標(biāo)用戶id

服務(wù)端收到消息后會(huì)根據(jù)第一個(gè)“&”前的類型對(duì)消息做出不同的處理。

1） 文本消息

服務(wù)端通過類型text判斷消息類型為文本。文本消息首先會(huì)被打印到發(fā)送者的客戶端中，然后才會(huì)被發(fā)送至服務(wù)端。服務(wù)端處理完畢之后，會(huì)將信息存入到數(shù)據(jù)庫，之后若接收者的客戶端請(qǐng)求消息，服務(wù)端會(huì)從數(shù)據(jù)庫中查詢出消息并打包發(fā)送?？蛻舳耸盏较⒑髸?huì)將其打印至客戶端。

2） 文件消息

服務(wù)端通過類型file判斷消息類型為文件。文件消息首先會(huì)被打印到發(fā)送者到客戶端中。文件消息中包含文件名稱和文件的二進(jìn)制編碼，服務(wù)端會(huì)在本地使用 IO 流創(chuàng)建文件并將文件的二進(jìn)制編碼輸入實(shí)現(xiàn)文件的上傳，最后將文件路徑存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫以便之后的下載操作。存儲(chǔ)過后服務(wù)端同樣會(huì)在接收者客戶端請(qǐng)求時(shí)將消息打包發(fā)送。

3） 下載請(qǐng)求

用戶點(diǎn)擊文件消息中到“下載按鈕”時(shí)，客戶端會(huì)讓用戶選擇文件保存路徑。 選擇完畢后，客戶端會(huì)向服務(wù)器端發(fā)送download開頭的下載請(qǐng)求。服務(wù)端會(huì)根據(jù)請(qǐng)求中包含的發(fā)送者的用戶id和發(fā)送時(shí)間在數(shù)據(jù)庫中查詢出相應(yīng)文件在服務(wù)器端的路徑。找到后會(huì)將文件名和二進(jìn)制編碼發(fā)送給客戶端，客戶端收到數(shù)據(jù)后會(huì)使用 IO 流將文件保存到用戶所選的路徑中。

4） 消息記錄查看

用戶點(diǎn)擊“歷史記錄”按鈕時(shí)，會(huì)向服務(wù)器發(fā)送history開頭的歷史記錄請(qǐng)求。服務(wù)端會(huì)查詢數(shù)據(jù)庫，將請(qǐng)求者和目標(biāo)用戶之間的消息全部發(fā)送?？蛻舳颂幚硐⒑?，打印至客戶端的消息記錄面板。

4.3 信息加密

在客戶端和服務(wù)端的通訊過程中，凡是消息內(nèi)容，客戶端都會(huì)對(duì)其加密，直至傳送到另一個(gè)客戶端才會(huì)對(duì)消息進(jìn)行解密并顯示。系統(tǒng)的加密算法是基于Base64編碼并融合字符串隨機(jī)偏移形成的全新算法，此算法可以保證用戶的數(shù)據(jù)不會(huì)泄露。

1） Base64編碼

Socket有一個(gè)致命的缺陷，其不能傳輸漢字。想要實(shí)現(xiàn)漢字的傳輸，就要將字符串重新編碼。Base64是現(xiàn)今最常用的編碼方式之一，它可以將人們發(fā)送的信息進(jìn)行特殊計(jì)算，生成一句由64個(gè)常見字符組成的字符串[4]。使用Base64編碼的目的是讓內(nèi)容可以通過Socket在各個(gè)網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行無錯(cuò)傳輸。Base64是可以編碼并解碼的，正因如此，它的作用主要在于數(shù)據(jù)的傳輸，而不是安全性。若想實(shí)現(xiàn)加密，需要配合字符串的變化。

2） 加密算法

Base64解碼器可以解密任何以Base64加密過的字符串。但如果此字符串發(fā)生了任何微小的改變，解密結(jié)果就會(huì)大相徑庭。利用此性質(zhì)，客戶端會(huì)對(duì)原信息進(jìn)行1000次Base64加密。每?jī)纱渭用苤g，客戶端會(huì)將字符串從中間進(jìn)行分割，然后將兩個(gè)字符串反轉(zhuǎn)后拼接，得到一個(gè)新的字符串供下一次加密。接收者的客戶端收到加密后的消息后，只需根據(jù)此算法進(jìn)行1000次Base64解密便可得到消息。在未知此加密算法的情況下，暴力破解無法得到正確的結(jié)果。

5 系統(tǒng)測(cè)試

即時(shí)通訊系統(tǒng)在開發(fā)完成后，需進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試需要從需求符合度、功能正確性、性能指標(biāo)、運(yùn)行穩(wěn)定性、互聯(lián)互通、可用性、可維護(hù)性、兼容性等多個(gè)維度對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試，并得出測(cè)試結(jié)果[5]。

系統(tǒng)測(cè)試過程及結(jié)果。此系統(tǒng)使用Java語言，由idea工具編寫并對(duì)各個(gè)功能測(cè)試。1） 客戶端可以完成用戶的注冊(cè)和登錄?？蛻舳丝梢耘袛噍斎敫袷降恼_性，服務(wù)器端可以判斷輸入的合法性；若出現(xiàn)注冊(cè)或登錄失敗，客戶端會(huì)生成彈窗提醒用戶。2） 用戶可以發(fā)送文本消息與文件消息，在一秒鐘之內(nèi)目標(biāo)用戶可以接收到此消息。3） 用戶可以下載收到的文件消息中附帶的文件，下載之后文件是完整無缺的。4） 用戶可以查看自己與任一用戶的聊天歷史。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)對(duì)當(dāng)今即時(shí)通訊軟件做了極致的精簡(jiǎn)，保留了用戶最基本的功能。并且系統(tǒng)突破了局域網(wǎng)和系統(tǒng)的限制，使用戶可以隨時(shí)隨地進(jìn)行安全的信息交流和文件傳送。后期會(huì)將客戶端輪詢的信息請(qǐng)求方式升級(jí)為客戶端監(jiān)聽，這樣就會(huì)大大減少服務(wù)端的負(fù)載，使其可以承擔(dān)更多用戶的信息交流。

參考文獻(xiàn)：

[1] Cay S.Horstmann.Java核心技術(shù)·卷 I（原書第10版）[M].周立新，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2] Forta B.MySQL必知必會(huì)[M].劉曉霞，鐘鳴，譯.北京：人民郵電出版社，2009.

[3] 劉惠欣，孟令一.C語言從入門到精通：全新精華版[M].北京：北京希望電子出版社，2017.

[4] 石春宏.基于base64編碼實(shí)現(xiàn)信息隱寫分析[J].信息與電腦（理論版），2020，32（1）：118-119.

[5] 張烜，秦慶鵬.基于Java編程語言的內(nèi)網(wǎng)即時(shí)通訊插件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國新通信，2020，22（13）：38-39.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2022-05-15

作者簡(jiǎn)介：杜瑞慶（1974—） ，男，河北贊皇人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等；李一諾（2002—） ，男，山東濟(jì)南人，通信作者，本科在讀，研究方向?yàn)閷I(yè)軟件工程。