一个简单的即时通讯工具的设计与开发.docx
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一个简单的即时通讯工具的设计与开发
一个简单的即时通讯工具的设计与开发
摘要
即时通讯（InstantMessaging）是目前Internet上最为流行的通讯方式，各种各样的即时通讯软件也层出不穷；服务提供商也提供了越来越丰富的通讯服务功能。
Java是当前比较流行的开发语言之一，它有着自己的易用特点与性能优势，比如跨平台、安全性、多线程、网络Socket编程、数据流概念等方面，因此通过对开源即时通讯LinuxQQ的研究和分析，基于Java语言和J2EE规范设计了一个即时通讯工具JICQ（JavaforIseekyou），并对其体系结构、构成模块及系统关键技术进行了分析与设计。
在系统设计与建模过程中，使用了UML和面向对象的分析、设计方法，并使用Rose作为建模工具；本系统基于j2se1.5，j2ee1.4，使用Eclipse等作为开发工具，在开发过程中用到了时下流行的重构开发方法，优化了系统的设计。
力图使系统具有安全、高效、实用、支持在不同系统平台运行等特点。
关键词：
即时通讯；多线程；SOCKET编程；JSP
DesignandDevelopmentofaSimpleInstantCommunicationTool
Abstract
InstantMessageiscurrentlythemostpopularwaytocommunicateontheInternet,sovariousInstantMessagingsoftwarearecontinuouslyappearing;Serviceprovidersoffermoreandmorecommunicationservicenowadays.Javaprogramminglanguage（Java2StandardEdition）isoneofpopularprogramminglanguages.Withitsfeaturesofcross-platform,security,multi-threadedcapability,SocketProgramming,dataflowconceptsandsoon,Javahasitsowndistinctiveandfunctionaladvantages.Therefore,basedontheresearchandanalysisofLinuxQQ,withtheJavalanguageandJ2EE,thispaperdesignsaninstantmessenger—JICQ（JavaforIseekyou）,andthenanalyzesitsarchitecture,modules,aswellasitskeytechnologies.Duringthedesignandmodelingprocessofinstantmessengersystem,theUMLandmethodofobject-orientedanalysisanddesignareused.Furthermore,themodelingtoolofRoseisincluded.Basedonthesystemj2se1.5,j2ee1.4,theEclipsedevelopmenttoolinthedevelopmentprocess,andrefactoringdevelopmentmethod,thesystemdesignisoptimized.Duetothesefactors,thesystemissafe,efficientandpracticalindifferentoperatingsystemplatforms.
Keywords:
instantmessage;multithreaded;socketprogram;JSP
论文总页数：
30页
1引言
1.1项目开发背景
1.1.1项目背景
“即时通信产品”最早的创始人是三个以色列青年，是他们在1996年做出来的，取名叫ICQ（Iseekyou）。
随后，腾迅QQ抓住IM的大好机遇，在中国迅速崛起并垄断即时通讯市场。
自从腾迅的QQ在中国即时通讯行业垄断后，即时通讯的产品在IT行业可谓雨后春笋，层出不穷，目前，Windows平台方面的即时通讯已经很多，但是其他系统比如Linux平台，虽然有类似QQ方面的一些产品，比如LinuxQQ，Lunaqq，但数量毕竟不多且功能界面等都还不是很理想，鉴于此种情况，我们开发了基于Java语言的即时通信系统（JICQ），该系统是以J2SE（Java2StandardEdition）语言实现的网络即时通信工具，包括服务器端和客户端，可以在企业内部网络和互联网上运行,同时具有Java应用的跨平台特性，方便运行在各个系统之上。
该系统具有相对比较漂亮的界面以及类似于QQ的很多功能，比如可以和好友进行交流以及离线发送与好友管理、可以加入不同的群，即时发送、即时回复等功能。
1.1.2技术背景
技术上采用sun公司的java语言，该语言有很多有点，比如多线程、网络流概念、异常捕获处理、安全性以及速度与性能等方面，并且具有可以一次编写、到处运行的跨平台优点。
多线程：
多线程是这样一种机制,它允许在程序中并发执行多个指令流,每个指令流都称为一个线程,彼此间互相独立，线程又称为轻量级进程，多线程技术允许你在一个应用程序中启动多个执行轻量程序，使多段程序同时竞争CPU资源，从而提高系统效率。
而对于网络通讯工具来说，多线程的特性是必须的，不仅是为了效率，而且可以实现同时处理多个请求。
网络流：
java中的网络通讯以及文件的读取都是以一种流的概念来理解的，这样，网络上数据的传输其实就等同于看成一台机器上文件的读取，有利于理解与编写运用程序，java类库中提供了丰富的IO流类资源以及网络编程类资源，软件开发人员可以很方便的编写网络应用程序。
例外处理：
Java通过面向对象的方法来处理例外。
在一个方法的运行过程中，如果发生了例外，则这个方法生成代表该例外的一个对象，并把它交给运行时系统，运行时系统寻找相应的代码来处理这一例外。
我们把生成例外对象并把它提交给运行时系统的过程称为抛弃（throw）一个例外。
运行时系统在方法的调用栈中查找，从生成例外的方法开始进行回朔，直到找到包含相应例外处理的方法为止，这一个过程称为捕获（catch）一个例外。
所以，java的例外处理使非常方便的。
跨平台：
Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。
而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。
一般的高级语言如果要在不同的平台上运行,至少需要编译成不同的目标代码。
而引入Java语言虚拟机后,Java语言在不同平台上运行时不需要重新编译。
Java语言使用模式Java虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息,使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码）,就可以在多种平台上不加修改地运行。
Java虚拟机在执行字节码时,把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。
1.2该系统设计的意义
伴随着当今互联网迅速发展，网上通讯成为一种必不可少的通讯习惯，该系统的设计就是为了实现在互联网上的即时通讯，它是利用当今最为流行的java编程语言来实现即时通讯工具的雏形，同时在系统开发过程中所用的都是java常用的技术或者难点，比如用java的swing怎么去做一个界面美观的应用程序、java的网络编程技术的原理与应用、以及如何根据J2EE规范去开发一个基于Jsp和Servlet的Web应用等关键技术。
通过设计和开发该系统，使自己所学的理论知识得到实践应用，也对即时通讯软件的通讯原理有了比较深刻的认识，大大的提高了自己的动手能力和解决问题的能力，为今后工作打下坚实的基础。
2相关理论及基础技术与开发平台
2.1即时通讯应用工作原理分析
我们经常听到TCP/IP和UDP（用户数据报协议）这两个术语，它们都是建立在更低层的IP协议上的两种通讯传输协议。
前者是以数据流的形式，将传输数据经分割、打包后，通过两台机器之间建立起的虚电路，进行连续的、双向的、严格保证数据正确性的文件传输协议。
而后者是以数据报的形式，对拆分后的数据的先后到达顺序不做要求的文件传输协议。
QQ就是使用UDP协议进行发送和接收“消息”的。
当你的机器安装了OICQ以后，实际上，你既是服务端（Server），又是客户端（Client）。
当你登录OICQ时，你的OICQ作为Client连接到腾讯公司的主服务器上，当你“看谁在线”时，你的OICQ又一次作为Client从QQServer上读取在线网友名单。
当你和你的OICQ伙伴进行聊天时，如果你和对方的连接比较稳定，你和他的聊天内容都是以UDP的形式，在计算机之间传送。
如果你和对方的连接不是很稳定，QQ服务器将为你们的聊天内容进行“中转”。
其他的即时通信软件原理与此大同小异。
OICQ的通讯原理:
1.用户首先从QQ服务器上获取好友列表，以建立点对点的联系。
2.用户（Clientl）和好友（Client2）之间采用UDP方式发送信息。
3.如果无法直接点对点联系，则用服务器中转的方式完成。
我们看到两个OICQ用户如果是在两个不同的内网上，它们经过登录后可以不同过服务器来直接通讯。
那这是为什么呢。
其根本原因是OICQ使用了UDP协议，这样用户之间的通讯自己完成就减少了服务器的负担。
那么到底原理是什么样的，为什么TCP应用就不能达到这一要求。
这就涉及到NAT（NetworkAddressTranslator）技术。
NAT技术使得一个私有网络可以通过internet注册IP连接到外部世界，位于inside网络和outside网络中的NAT路由器在发送数据包之前，负责把内部IP翻译成外部合法地址。
内部网络的主机不可能同时与外部网络通信，所以只有一部分内部地址需要翻译。
"NAT"的翻译可以采取静态翻译和动态翻译两种。
静态翻译将内部地址和外部地址一对一对应。
当使用了动态翻译时就采用portmultiplexing技术，通过改变外出数据的源port技术可以将多个内部IP地址影射到同一个外部地址，这就是PAT（portaddresstranslator）。
在这种情况下，一个TCP连接只能和固定的连接方通讯，而UDP应用本身就可以接受不同数据来源的数据包，所以在NAT转换的时候能够完成两个客户端之间的通讯，从而达到了客户端直接通讯的目的。
总的来说，OICQ的应用在客户端方面符合即时通讯系统的模型。
客户端之间的通讯中，采用了UDP的通讯方式，当客户端之间无法直接通讯时，采用通过服务器转发的方式来实现即时信息的传送。
2.2所用技术
JAVA多线程技术：
多线程的各个线程看上去像是并行地独自完成各自的工作，就像一台一台计算机上运行着多个处理机一样。
在多处理机计算机上实现多线程时，它们确实可以并行工作，而且采用适当的分时策略可以大大提高程序运行的效率。
而作为接受客户端请求的服务器来说，必须使用多线程技术来接受不同时刻的请求，接收一个处理一个，将其放入线程队列，然后继续监听其他的请求。
网络通讯与Socket编程：
java网络编程中有两种不同的通讯协议，分别是TCP（面向连接）与UDP（面向无连接），两种协议各有优缺点。
TCP：
是TranferControlProtocol的简称，是一种面向连接的保证可靠传输的协议。
通过TCP协议传输，得到的是一个顺序的无差错的数据流。
发送方和接收方的成对的两个socket之间必须建立连接，以便在TCP协议的基础上进行通信，当一个socket（通常都是serversocket）等待建立连接时，另一个socket可以要求进行连接，一旦这两个socket连接起来，它们就可以进行双向数据传输，双方都可以进行发送或接收操作。
UDP：
是UserDatagramProtocol的简称，是一种无连接的协议，每个数据报都是一个独立的信息，包括完整的源地址或目的地址，它在网络上以任何可能的路径传往目的地，因此能否到达目的地，到达目的地的时间以及内容的正确性都是不能被保证的。
JDBC数据库技术：
JDBC,全称为JavaDataBaseConnectivitystandard,它是一个面向对象的应用程序接口（API）,通过它可访问各类关系数据库。
JDBC也是java核心类库的一部分。
JDBC的最大特点是它独立于具体的关系数据库。
与ODBC（OpenDatabaseConnectivity）类似,JDBCAPI中定义了一些Java类分别用来表示与数据库的连接（connections）,SQL语句（SQLstatements）,结果集（resultsets）以及其它的数据库对象,使得Java程序能方便地与数据库交互并处理所得的结果。
使用JDBC,所有Java程序（包括Javaapplications,applets和servlet）都能通过SQL语句或存储在数据库中的过程（storedprocedures）来存取数据库。
SWING界面设计：
java的扩展包，其中包括众多的控件以及丰富的控件操作功能，使用户可以简单的利用它画出应用程序的界面，结合JBuilder9.0带的绝对定位类包，可以设计出非常好看的用户界面。
JSP与SERVLET技术：
JSP和SERVLET是在j2ee平台下开发WEB应用的基础，JSP是由SUN公司倡导众多公司参与一起建立的一个动态网页标准技术，JSP技术为建立具有动态生成内容的WEB应用提供了一种简便而且功能强大的途径，它可以快速开发出与平台无关的基于WEB的应用，JSP是更高级的SERVLET，在运行的时候JSP先被转化为SERVLET。
UML：
UML是一个统一建模语言,是当今世界上面向对象系统开发领域中的工具之一，它是一种可视化的建模语言，能够让系统构造者用标准的、易于理解的方式建立起能够表达出他们想像力的系统蓝图，并且提供了便于不同的人之间有效地共享和交流设计结果的机制。
它包含了9种图形还有其他一些特征，很方便用户进行建模。
2.3工具及开发平台
BorlandJBuilder是全球第一的跨平台Java开发环境，可以用于构建符合工业标准的Java应用系统，不仅可以开发桌面级程序，并且可以开发EJB、Web、XML以及数据库等各类应用程序。
双向、可视化设计工具使得我们可以快速的构建各种应用程序，并部署至多种应用程序服务器,利用JBuilder，我们可以快速、方便的构建出Java应用程序，并且其中提供了一个类似于VS.NET中的界面编辑器功能，它具有绝对的定位功能，我们不用再手工粗糙的排列JAVA的LayoutManager，这一切完全可以用JBuilder开快速完成。
Eclipse是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。
就其本身而言，它只是一个框架和一组服务，用于通过插件组件构建开发环境。
幸运的是，Eclipse附带了一个标准的插件集，包括Java开发工具（JavaDevelopmentTools，JDT）。
虽然大多数用户很乐于将Eclipse当作JavaIDE来使用，但Eclipse的目标不仅限于此。
Eclipse还包括插件开发环境（Plug-inDevelopmentEnvironment，PDE），这个组件主要针对希望扩展Eclipse的软件开发人员，因为它允许他们构建与Eclipse环境无缝集成的工具。
更舒服的是，利用Eclipse中的MyEclipse插件来搭建一个动态JSP程序，快速，简单、方便。
Rose一套非常有使用价值的系统建模工具，其中提供了非常方便的系统建模功能，比如用例图、行为图、活动图、时序图等。
利用它可以加快系统设计开发效率，同时可以给用户和开发者提供清晰的图，使他们之间的交流变得更加的方便有效。
SQLSERVER2000数据库是微软的功能强大的数据库管理系统，具备很多数据库管理常用的功能，例如存储过程、数据查询与更新等，是一个非常理想的后台数据库系统。
Tomcat是Sun的JSWDK（JavaServerWebDevelopmentKit）中Servlet的运行环境（servlet容器）,是一个免费的开源的Serlvet容器，它是Apache基金会的Jakarta项目中的一个核心项目，由Apache，Sun和其它一些公司及个人共同开发而成。
2.4系统配置要求
推荐配置如下：
CPU2G以上,内存512以上,运行平台基于Windows平台。
客户端需要安装java虚拟机，同时还要有JICQ的客户端程序。
服务器端需要安装Sqlserver2000数据库,服务器端如果是windowsXP系统要打上Sqlserver2000的SP3或者SP4补丁包，同时服务器端需要安装Web服务器TOMCAT，还有JICQ的服务器端程序。
3系统体系结构的设计
3.1需求描述
伴随着当今互联网的迅速发展，人们之间的信息交互的实时性能变得越来越重要，传统的电子邮件交互已经不能够满足人们的即时通讯要求，鉴于此种情况打算开发出一款类似于腾讯QQ的即时通讯软件，只要经过注册你便可以获取一个帐号，通过该帐号你可以在客户端登陆，成功登录后便可以在互联网上与你的亲朋好友进行畅谈，由于技术和时间问题，该软件主要提供私聊、群聊、好友管理、群管理等常用功能，其它一些功能比如文件传输、语音聊天和视频聊天等功能，由于技术问题暂时没有实现，可以在该系统的基础上实现这些功能，也可以在此基础上进行更多功能的扩展。
3.2系统架构设计
该系统主要包括三层，客户端，服务器端，以及数据库服务器，客户端用来提供用户的登录，服务器端用来对登录的用户进行管理以及用来处理信息之间的转发，数据库服务器主要存放一些重要的信息。
它们之间的关系如下图所示：
图1三层模型
中间层又分成四个部分：
图2中间层的构成
本系统采用的设计模型为平时所说的C/S架构，Client/Server，系统总体模型图如下：
图3客户端/服务器端模型图
3.3系统的总体功能设计
3.3.1总体功能设计
根据上述需求的描述，对该系统按照功能进行了模块的细化，主要包括注册登录、好友聊天、好友组管理、群聊天4个模块，还有很多其它小模块，这4个模块是实现该系统的核心模块，模块之间的耦合程度非常低，其中注册模块是通过B/S结构来实现，不需要安装客户端。
下图是上述的4个重要模块的用例交互图。
图4总功能用例图
3.3.2注册模块设计
注册模块是整个系统的最基础模块，该模块主要通过B/S模式来实现，技术上采用J2EE的三（N）层结构，它有以下特点:
1.能有效降低建设和维护成本，简化管理;
2.适应大规模和复杂的应用需求;
3.可适应不断的变化和新的业务需求:
4.访问异构数据库;
5.能有效提高系统并发处理能力;
6.能有效提高系统安全性
该模块表现层主要用的技术是Jsp和servlet,后台数据库用的是Sql2000数据库。
该模块主要包括以下功能：
帐号注册、密码的找回、密码的修改以及个人信息的查询。
通过该模块，用户可以与Web服务器交互进行号码的注册、密码找回等功能。
下图是一张简单的J2EE的结构图，该系统只是用到了其中的一部分技术。
图5J2EE结构图
下边是用户注册与Web服务器之间的用例交互图。
图6注册用例交互图
下边是用户注册的活动图。
是
否
否
是
图7用户注册活动图
3.3.3登录模块设计
该模块主要给注册成功的用户提供一个登录界面，用户根据自己注册的帐号信息可以与服务器交互，如果提供的信息通过服务器的验证便可以成功的登录系统，成功登录系统之后，可以进行一些操作，比如和好友聊天等，使用该模块之前必须安装一个客户端。
登录模块只是一个简单的页面，主要填写用户名、密码之类的信息，登录成功后的主界面包含了系统的大部分功能，比如添加和删除好友、添加和删除好友分组、和朋友聊天等功能。
下图是登录模块的用例图。
图8登录用例图
下边的登录模块的活动图，主要是对用户提供的用户名和密码提供验证。
图9登录活动图
下边是用户之间交互信息的时序图，主要包括从用户登录到通过验证然后进行信息的发送，给好友发送信息包含两种情况，第一，如果好友在线的话消息直接通过服务器中转发送给好友，如果对应的好友不在线，则讲发送的信息保存到数据库中，当该好友上线的时候从数据库中读出相应的信息进行发送。
图10用户信息交互图
3.3.4用户间交互模块设计
该模块主要实现已用户之间的信息交流，用户交流的前提是先要添加好友，可以通过查找功能进行好友的查找，找到要添加的好友后，通过发送好友申请消息来添加好友，当对方通过添加好友的验证消息后，便可以成功的添加好友。
只有成功的添加好友之后，才可以进行用户之间的信息的相互交互。
下边是用户交互的用例图。
图11用户交互用例图
用户之间聊天的信息主要通过聊天服务器进行中转，用户之间聊天内容主要存储在客户端的一些文件中，可以通过查看聊天功能来进行对这些聊天信息的读取。
下图是用户交互的活动图：
图12用户交互活动图
下边是好友添加的时序图
图13好友添加时序图
3.4数据库设计
3.4.1数据库物理模型
通过对系统需求的分析，在关系数据库中建立相应的表，并建立了表之间的相互关系，下边的图是在Sql2000下这些表之间的对应关系图。
图14数据库物理模型
3.4.2数据字典
下边是关系数据库中每个表所对应的字段的详细信息
表1JUSERS（用户表）用来存放用户注册时的基本信息
简称
字段名
类型
长度
允许空
备注
JICQ
号码
bigint
8
Notnull
PK
JPassWord
密码
varchar
50
Notnull
JShowName
昵称
varchar
100
Notnull
JTrueName
真实名称
varchar
100
JAge
年龄
Int
4
JSex
性别
char
4
JCountry
国家
varchar
50
JProvince
省
varchar
50
JCity
市
varchar
50
JStatus
状态
smallint
2
Notnull
JUserIP
IP
varchar
50
Notnull
JPicID
图片ID
int
4
Notnull
JICQShowID
int
4
JEmail
电子邮件
varchar
100
JUnderWrite
个人签名
varchar
500
JProfession
专业
varchar
50
JStar
星座
varchar
50
JXuexing
血型
varchar
50
JGradute
学历
varchar
50
JAddress
住址
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