即时通讯软件的设计及实现.docx
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即时通讯软件的设计及实现
即时通讯软件的设计与实现
1系统实现模块
1.1服务端模块
服务端主要包括三个模块：
1.网络模块，建立TCP服务器，负责监听端口，与客户端建立连接并接受和发送数据。
2.应用模块，负责处理从网络模块接收到的数据，予以分析处理，进行转发或对数据库进行操作，并返回相关信息。
3.数据层，数据层用来与数据库建立连接，应用模块必须通过数据层来进行数据库的操作。
图4.1系统模块图
1.2客户端模块
用户端包块以下模块：
1.用户界面模块，此模块包括客户端的操作界面，由NetBeans编写的GUI，进行了较多的美化，采用偏向Vista的风格。
2.网络模块，此模块包括两个小模块，TCP模块用于和服务器端通讯，而UDP模块则负责和客户端进行P2P通讯。
3.聊天模块，此模块负责在用户聊天时候，对聊天的数据进行封装，对聊天的图片也进行压缩，以适用网络传输。
在接受到聊天数据之后，又会对聊天数据进行分解操作，最后生成聊天内容。
4.群组模块，此模块包括群组聊天、群组的创建、管理、更新等功能。
5.文件传输模块，此模块用于实现客户端之间的文件传输功能。
6.视频聊天模块，此模块用于实现客户端之间的视频聊天功能。
7.系统设置记录模块，此模块用于实现保存聊天记录，登录日志，以及保存系统设置信息的功能。
图4.2客户端模块图
2数据库设计
2.1用户表设计
用户表是系统中的基础表，主要用来记录用户注册时的各种信息，此表还有一个从表userlogin表用来记录用户登录和状态信息。
[12]
Userinfo表
字段名
字段类型
字段长度
备注
ID
Int
11
主键
Userid
Int
11
用户ID
Name
Varchar
20
用户名
Sex
Varchar
2
性别
age
Int
4
年龄
City
Varchar
50
城市
mail
Varchar
50
信箱
address
Varchar
60
地址
Telephone
Varchar
15
face
int
2
头像号
UserLogin表
字段名
字段类型
字段长度
备注
Userid
Int
11
用户ID
Pass
Varchar
20
用户密码
Fettle
Int
2
用户状态
Ipaddress
Varchar
20
IP地址
2.2用户关系表
用户关系表是用来保存用户之间的好友关系的数据表，查询好友列表的时候要从此表中查询与自己ID想关联的好友ID，type字段可以设置两者的关系，其中1为好友关系，0为黑。
字段名
字段类型
字段长度
备注
Id
int
11
主键
Userid
Int
11
用户ID号
Frendid
Int
11
好友ID号
Type
Int
4
关系类型
其他表，如组群表，族群信息表就不在此一一列出。
3系统模块的详细设计
此章节将叙述系统部分模块的设计方法和具体实现。
3.1网络模块的设计实现
本系统采用TCP和UDP混合的网络通讯，客户端与服务器之间登录验证时采用TCP连接，登录之后，客户端与服务器采用UDP方式保持通讯，客户端和客户端之间采用UDP连接，如果无法直接连接，通过服务器申请UDP穿透NAT，如果失败，则消息通过服务器中转传递。
因为要在网络通讯中直接传递对象，故采用基于JavaNIO的I/O的Cindy异步框架，Cindy是一个Java异步I/O框架，提供了一个统一高效的模型，同时支持TCP、UDP以及Pipe，并能够方便的在异步和同步操作之间进行切换。
目前其实现是基于JavaNIO，并计划通过JNI来支持各操作系统上本身提供的异步I/O功能，应用可以方便的通过运行期属性来方便的切换到更为高效的实现上。
[13]
JavaNIO包虽然提供了非阻塞I/O模型，但是直接使用NIO的非阻塞I/O需要成熟的网络编程经验，处理众多底层的网络异常，以及维护连接状态，判断连接超时等等。
对于关注于其业务逻辑的应用而言，这些复杂性都是不必要的。
不同Java版本的NIO实现也会有一些Bug，Cindy会巧妙的绕开这些已知的Bug并完成相应功能。
并且NIO本身也在不断发展中，Java1.4的NIO包中只实现了TCP/UDP单播/Pipe，Java5.0中引入的SSLEngine类使得基于非阻塞的流协议（TCP/Pipe）支持SSL/TLS成为可能。
使用Cindy，应用可以在同步和异步之间进行无缝切换，对于大部分操作是异步，可某些特殊操作需要同步的应用而言，这极大的提高了易用性。
[14]
1.服务器端编码：
SessionAcceptoracceptor;
acceptor=SessionFactory.createSessionAcceptor（SessionType.TCP）;
acceptor.setListenPort（port）;//设置监听端口port为端口号
acceptor.setAcceptorHandler（newSessionAcceptorHandlerAdapter（））；
//设置SessionAcceptorHandler；
SessionAcceptorHandler接口是处理SessionAcceptor产生的各种事件,
SessionHandler接口则用于处理Session产生的各种事件。
acceptor.start（）;//开始执行，服务器开始监听TCP连接。
SessionAcceptorHandlerAdapter类是处理acceptor时间的接口，里面包括了各种方法，我们主要使用到对象接收事件（objectReceived），我们接受到对象以后再对其进行处理。
代码如下：
newSessionAcceptorHandlerAdapter（）{
publicvoidsessionAccepted（SessionAcceptoracceptor,Sessionsession）throwsException{
session.setPacketEncoder（newSerialEncoder（））;
session.setPacketDecoder（newServerPacketDecoder（））;
session.setSessionHandler（newSessionHandlerAdapter（）{
publicvoidobjectReceived（Sessionsession,Objectobj）{
/****这里可以得到接受到的对象，我们封装成Message类****/
Messagemessage=（Message）obj;
}
}
2.服务端编码
首先先生成一个TCP的Session，然后为session设置远程IP地址，最后通过设置SessionHandlerAdapter（）来处理事件。
Sessionsession=SessionFactory.createSession（SessionType.TCP）;
session.setRemoteAddress（newInetSocketAddress（address,port））;
session.setPacketEncoder（newSerialEncoder（））;
session.setPacketDecoder（newSerialDecoder（））;
session.setSessionTimeout（0）;
session.setSessionHandler（newSessionHandlerAdapter（））；
3.2用户登录的具体实现
前面介绍了Cindy的网络框架，现在我们来演示用户登录时候的流程。
用户登录请求处理模块是用户通过了验证（验证过程在信息查询服务器上完成），取得了合法登录密钥之后，登录文字通讯服务器的第一步。
用户登录请求处理模块的处理过程是:
接收用户登录请求，首先判断其登录密码是否正确（登录密码是用户注册时候输入的口令，服务器收到该请求后，首先查询数据库中此用户ID的密码，然后判断和用户发送的登录密码是否一致）。
如密钥不正确则关闭该连接，并发送密码错误的信息。
如果密钥正确，则修改该用户在数据库中的IP记录，并从数据库中读取出其所有的好友列表，并将此用户上线的消息发送给其好友，服务器同时将此用户此时此刻登录的情况记录在日志中。
客户端收到密码验证正确的消息之后，会受到服务器发送来的好友列表和详细信息，并通过这个好友列表构建好友信息，完成登录。
在客户端中，我们提供了隐身上线，和保存密码两个选择项，其内容保存在Hitayo.ini文件中。
在登录窗口中，可以手动输入服务器的IP地址，并将新的服务器地址保存进服务器选择列表，下次登录时，可以自动选择到上次登录的服务器地址，同时还具备检测服务器是否畅通的功能。
登录窗口界面如下：
图4.3客户端登录界面
3.3聊天模块的具体实现
一款即时通讯软件，最基本的功能莫过于即时聊天功能。
在本系统中，对聊天信息重新封装（ChatSeria类），使系统的聊天功能支持对文字的字体、大小、粗细、颜色进行设置，还能够在文字中插入图片，并能支持快捷键，用Ctrl+Enter可以发送消息。
图4.4聊天窗口界面
实现功能的关键在于对聊天信息封装和对文字中图片的定位和还原，以下代码实现了图文混合后对聊天信息的还原：
for（intx=0;x<5;x++）{
end=chat.getMessage（）.indexOf（'?
'）;
if（end==0）{
//获得光标位置
jp.setCaretPosition（jp.getStyledDocument（）.getLength（））;
jp.insertIcon（newImageIcon（ImageIO.read（new
ByteArrayInputStream（chat.getImage（）[x]））））;//把图片插入光标位置
chat.setMessage（chat.getMessage（）.substring（++end））;
}else{jp.getStyledDocument（）.insertString（jp.getStyledDocument（）.getLength（）,chat.getMessage（）.substring（begin,end）,null）;//插入文字
chat.setMessage（chat.getMessage（）.substring（end））;
x--;}
if（chat.getMessage（）.indexOf（'?
'）==-1）{
jp.getStyledDocument（）.insertString（jp.getStyledDocument（）.getLength（）
//插入文字
chat.getMessage（）.substring（--end）,null）;
break;
}
}
其原理是通过重写JTextPane的replaceSelection方法，改变了图标的位置标记，然后分别保存文本和图片以及字体属性，发送给接受端，接受端接受到信息以后，首先用以上算法，找到图片的标记，再把光标移动到那个位置，把图片组中的图片插入其中。
最多可以插入5X图片，但是经过测试如果图片过大，可能导致发送失败。
3.4视频模块的具体实现
视频聊天是即时聊天软件发展的一个新的高度，因为IM支持视频聊天是可以必不可少的功能。
JAVA实现对摄像头的控制需要通过JMF多媒体框架。
JMF实际上是Java的一个类包。
JMF2.1.1技术提供了先进的媒体处理能力，从而扩展了Java平台的功能。
这些功能包括：
媒体捕获、压缩、流转、回放，以及对各种主要媒体形式和编码的支持，如M-JPEG、H.263、MP3、RTP/RTSP（实时传送协议和实时流转协议）、MacromediasFlash、IBM的HotMedia和Beatniks的RichMediaFormat（RMF）等。
JMF2.1.1还支持广受欢迎的媒体类型，如Quicktime、MicrosoftsAVI和MPEG-1等。
[15]
本模块的设计思路是，通过JMF获得视频的数据流，然后将数据流还原成每一帧的图像，再将图像压缩后转换成字节流采用UDP包发送给接收方，接收方接受到信息后，从字节流中生成图像，再将图像绘制在JPanel上，我们重写JPanel的paintponent方法，并添加一个方法（UpVoide（Imageimg））不断刷新JPanel上的图片，这些都在独立的一个线程上操作，这样视频和聊天可以同时进行，经过测试，在网络较通常的情况下能获得比较好的效果。
图4.5视频聊天窗口界面
JMF获得视频图像的实现代码：
Stringstr="vfw:
MicrosoftWDMImageCapture（Win32）:
0";
CaptureDeviceInfodi=CaptureDeviceManager.getDevice（str）;
MediaLocatorml=di.getLocator（）;
dataSource=JMFUtils.createCaptureDataSource（null,null,
str,di.getFormats（）[2]）;
Playerplayer=Manager.createRealizedPlayer（dataSource）;
player.start（）;
//获得opnent可以直接用来播放视频
p=player.getVisualponent（）;FrameGrabbingControlfgc=（FrameGrabbingControl）player.getControl（
"javax.media.control.FrameGrabbingControl"）;
Bufferbuf=fgc.grabFrame（）;
BufferToImagebufferToImage=newBufferToImage
（（VideoFormat）buf.getFormat（））;
Imageimg=bufferToImage.createImage（buf）;
Img为获得的视频图片，将此帧压缩成JPG后封装给接收方，接受方收到数据以后显示视频的代码如下：
protectedvoidpaintponent（Graphicsg）{
super.paintponent（g）;
if（img!
=null）{
g.drawImage（img,0,0,this.getWidth（）,this.getHeight（）,this）;
}
}
publicvoidUpVoide（Imageimg）{
this.img=img;
this.repaint（）;
}
一个新的线程将每次接受到的Image对象作为参数调用UpVoide方法，则能快速刷新JPanel上的图像，达到视频播放的效果。
3.5P2P穿透NAT的实现步骤
NAT的穿透技术在P2P的的发展起到了至关重要的作用，可以说如果没有穿透NAT的方法，P2P绝不会成为一项如此热门的领域，因为P2P穿透NAT使大量的内网用户也能够享受到P2P带来的效率和速度了。
假设ClientA和ClientB，分别两个内网中的PC，其中ClientA的IP地址是192.168.0.20，其网关是202.187.45.3，ClientB的IP地址是192.168.0.10，其网关是187.34.1.56，服务器的IP地址是219.237.60.1，那么P2P具体的实现步骤如下：
1.ClientA登录服务器，NATA（ClientA的网关）这次的Session分配了一个端口60000，那么ServerS收到的ClientA的地址是202.187.45.3:
60000，这就是ClientA的外网地址了。
2.ClientB登录ServerS，NATB给此次Session分配的端口是40000，那么ServerS收到的B的地址是187.34.1.56:
40000
图4.6UDP穿透示意图
3.ClientA通过ServerS得到B的IP地址是187.34.1.56：
40000，然后ClientA向此IP发送信息，NATB抛弃此条信息。
4.ClientA通知ServerS，申请UDP穿透。
5.ServerS通知ClientB，并将ClientA的IP地址和端口告诉ClientB；
6.ClientB收到信息以后，像ClientA也发送一条消息，便会在NATB上留下一个Session。
7.ClientA再向ClientB发送信息时候，NATB会将消息转发给ClientB。
8.完成UDP穿透，ClientA和ClientB可以互相通讯。
3.6文件传输模块的设计
文件传输是即时聊天软件的主要功能之一，而文件的特殊性也决定了对于通过网络通信实现文件的传输，可靠性与完整性的要求都很高。
根据需求分析在本模块儿的设计中，我们未采纳UDP的传输方式。
但是，目前处于两个原因的考虑：
1）IP地址短缺；2）网络安全——防止黑客软件和病毒的泛滥。
大部分上网的个人计算机都被“隐藏”于防火墙或者NAT之后。
这就在很大程度上阻挡了面向连接的对等端实现TCP互联。
因此，在此模块中，为适应各种情况，保证文件的成功传输，我们采取了P2P和C/S模式并存，互为补充的模式，以P2P方式为主。
在进行文件传输时，首先采取P2P方式进行互联。
如果由于任何原因点对点方式不能成功，系统或自动采取点对服务器方式，从而确保文件传输的成功，模块设计结构如图
图4.7P2P连接示意图
系统采用TCP的方式发送，通过CINDY的框架下，对文件进行分包发送的代码如下：
发送方（部分）
for（inti=1;i<=QUEUE_SIZE;i++）{
Bufferbuffer=BufferFactory.allocate（MESSAGE_SIZE）;
buffer.position
（2）;
intreadCount=buffer.read（fc）;
//readCount为-1则文件已经读取完毕，发送完成关闭
if（readCount==-1）{
buffer.release（）;future.getSession（）.close（）;
}else{
buffer.putUnsignedShort（0,readCount）.flip（）;
//开始发送
session.send（buffer）;
}
接收方（部分）
Bufferbuffer=（Buffer）obj;
if（fc==null）{
fileName=buffer.getString（Charset.UTF8,buffer.remaining（））;
fc=newRandomAccessFile（fileName,"rw"）.getChannel（）;
}else{
while（buffer.hasRemaining（））
buffer.write（fc）;//写入文件
}
3.7组群功能的具体实现
组群功能是即时聊天软件的一大进步，取代了曾经的基于WEB的聊天室。
本系统的组群功能支持，组群的建立，加入组群，管理组群，组群公告，组群聊天等功能，每一个用户登录以后，都可以在组群栏中创建自己的组群，并添加用户到组群中来。
创建组群的用户将成为组群的管理员，能够管理组群用户和修改组群的资料信息等。
组群聊天模式采用TCP连接服务器转发，之所以采用这种模式是考虑到所以用户已经和服务器连接起来了，通过TCP转发能够降低程序的复杂性，不过从实际考虑，如果要投入实际运行，应该将TCP的组群聊天室改为UDP形式。
组群聊天同样支持文字的字体、颜色、大小、粗细进行设定，同时也支持图文并茂。
3.8聊天记录模块的实现
本系统支持聊天记录的保存和查阅，在这里采用的是文件保存的形式，将聊天记录保存为文本文件，位置在程序目录中的用户ID目录里，以好友的ID命名。
选择以文本文件作为聊天记录的载体是因为若使用JAVADB数据库来储存聊天记录，会降低程序运行速度，弊大于利。
if（newFile（Dir）.exists（））;
//如果目录不存在则建立目录
newFile（Dir）.mkdir（）;
if（chatnote.exists（））
//如果文件不存在则建立文件
chatnote.createNewFile（）;
FileOutputStreamout=newFileOutputStream（chatnote,true）;/
StringBuffersb=newStringBuffer（）;
//将用户名、时间和聊天记录加入StringBuffer
sb.append（friend.getName（）+""+getDate（）+"\r\n"+chat+"\r\n"）;
//先转换成“UTF-8”后写入文件
out.write（sb.toString（）.getBytes（"utf-8"））;
out.close（）;
若要查看聊天记录，可以直接到软件目录进入用户ID的文件夹直接查阅记录，或者在软件中进行查看记录，聊天记录查看界面如下：
图4.8聊天记录查看界面
由于系统比较庞大，不能讲解所有的具体实现步骤，所以只选择部分比较关键的模块进行叙述。
4小结
本文主要介绍了本人综合运用Swing、Cindy网络框架、JMF多媒体框架、MySQL数据库开发设计了一个P2P的即时聊天软件。
软件中的部分模块的设计思想和实现部分的关键代码。
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