基于XMPP協(xié)議的Android消息推送的分析與設(shè)計(jì)

彭 飛

(安徽信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

國(guó)內(nèi)軟件開(kāi)發(fā)和服務(wù)型企業(yè)，都在嘗試和提供消息推送服務(wù).但是，對(duì)于專(zhuān)門(mén)從事軟件開(kāi)發(fā)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，掌握一個(gè)比較完整和合理的基于安卓原生框架的消息推送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，意義之重大不言而喻.可以在這個(gè)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)自身業(yè)務(wù)的需求，只要做與業(yè)務(wù)相關(guān)的部分，不再需要重復(fù)去設(shè)計(jì)底層功能.這樣就簡(jiǎn)化了對(duì)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)，也對(duì)開(kāi)發(fā)人員的能力要求方面有所降低.開(kāi)發(fā)人員只是業(yè)務(wù)方面的行家，只要關(guān)注與自己業(yè)務(wù)相關(guān)的開(kāi)發(fā)，努力把業(yè)務(wù)做到極致，把用戶(hù)體驗(yàn)做到更加豐富多彩.對(duì)于底層、協(xié)議等這些比較晦澀、難懂的技術(shù)實(shí)現(xiàn)不需要關(guān)注.

1 XMPP協(xié)議

XMPP[1]：中文意思是擴(kuò)展消息出席協(xié)議.設(shè)計(jì)的目的是使用相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(稱(chēng)為“XML節(jié)”) 片段在網(wǎng)絡(luò)完成上任何兩個(gè)(或更多)實(shí)體之間的數(shù)據(jù)交換.典型的應(yīng)用場(chǎng)景是分布式客戶(hù)機(jī)-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，一個(gè)客戶(hù)端需要連接到服務(wù)器才能與其他實(shí)體(或與其他某個(gè)服務(wù)器)交換XML節(jié).

兩個(gè)實(shí)體之間交換信息大體需要經(jīng)歷下面的過(guò)程.

(1)設(shè)置IP地址和需要連接到端口號(hào)，基于全域名解析；

(2)打開(kāi)TCP(Transmission Control Protocol)連接；

(3)在TCP上打開(kāi)XML流；

(4)協(xié)商TLS(Transport Layer Security)通道加密；

(5)使用SASL(Simple Authentication and Security Layer)機(jī)制驗(yàn)證身份；

(6)綁定資源流；

(7)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他節(jié)點(diǎn)交換XML數(shù)據(jù)節(jié)；

(8)關(guān)閉 XML 流；

(9)關(guān)閉TCP 連接.

1.1 XMPP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

XMPP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用通常被實(shí)現(xiàn)成基于分布式的客戶(hù)端-服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，實(shí)體之間采用TCP連接，并且每個(gè)客戶(hù)端只能夠與特定的服務(wù)器連接，要想實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的連接，則中間必須經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)[2].所以，在基于XMPP 協(xié)議的通信鏈路中，根據(jù)扮演的角色來(lái)細(xì)分的話(huà)，整個(gè)通訊的結(jié)構(gòu)可以劃分成四大組件.

服務(wù)器：主要的功能是用來(lái)接收、轉(zhuǎn)發(fā)或處理傳輸數(shù)據(jù)，不同的實(shí)體在服務(wù)器上都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，便于服務(wù)器來(lái)區(qū)分.服務(wù)器也扮演數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理客戶(hù)端的功能，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)的需要實(shí)現(xiàn)功能定制和擴(kuò)展.

客戶(hù)端：信息傳遞的發(fā)起者，數(shù)據(jù)的傳遞必須通過(guò)服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達(dá)其他服務(wù)器、客戶(hù)端.每個(gè)客戶(hù)端必須有明確的唯一的標(biāo)識(shí)符，同時(shí)客戶(hù)端必須完全支持TCP套接字(Socket)，能夠理解XML信息流的數(shù)據(jù)類(lèi)型和正確解析XML數(shù)據(jù).

網(wǎng)關(guān)：主要的功能是連接異構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)互相通信，目的是實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，起到一個(gè)協(xié)議信息轉(zhuǎn)換的作用.

網(wǎng)絡(luò)：是實(shí)現(xiàn)不同實(shí)體之間互聯(lián)互通的通訊連接和信息傳輸?shù)奈锢磔d體.

支持XMPP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 XMPP地址格式

XMPP地址格式和我們經(jīng)常使用的電子郵件類(lèi)似，使用全局唯一地址來(lái)標(biāo)識(shí)XMPP的實(shí)體，利用域名系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)和傳遞消息.XMPP協(xié)議規(guī)范中明確規(guī)定，所有實(shí)體都是可尋址的，不光是特別的客戶(hù)端和服務(wù)器，而且提供附加服務(wù)的服務(wù)器都能被其他客戶(hù)端和服務(wù)器訪問(wèn).XMPP服務(wù)器地址類(lèi)似“網(wǎng)絡(luò)域名”形式，比如xm.mydomain.com，而注冊(cè)在該服務(wù)器上賬戶(hù)地址形式mars@xm.mydomain.com，服務(wù)器設(shè)備或資源形式是mars@ xm.mydomain.com / balcon.XMPP出身Jabber，所以其地址被稱(chēng)為Jabber Id.所以，一個(gè)JID的信息是由實(shí)體名稱(chēng)、路由服務(wù)器和資源三部分組成[3].

2 需求分析和概要設(shè)計(jì)

消息推送的主要功能是向安卓手機(jī)客戶(hù)端推送文本消息，底層的通訊協(xié)議使用XMPP協(xié)議，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，需要服務(wù)器端的支持.

服務(wù)器端需支持以下功能：

(1)能夠完成安卓客戶(hù)端的注冊(cè)、連接和登錄常用的功能.新的客戶(hù)端第一次連接到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器獲取客戶(hù)端的信息并把信息寫(xiě)入后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù).

(2)服務(wù)器一直監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端狀態(tài)的變化(離線或在線)，一旦客戶(hù)端離線或在線，自動(dòng)更新記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)表中的客戶(hù)端的狀態(tài)，便于管理員隨時(shí)通過(guò)管理頁(yè)面查看當(dāng)前在線用戶(hù)的詳細(xì)信息.

(3)服務(wù)端以管理員控制臺(tái)的方式提供輸入文本信息界面，輸入需要推送的信息之后，能夠把該條信息主動(dòng)向安卓手機(jī)客戶(hù)端推送.推送形式目前分為向指定的用戶(hù)推送與向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有用戶(hù)推送這兩種形式.

安卓客戶(hù)端需支持以下功能：

(1)App部署成功，打開(kāi)消息推送功能，自動(dòng)連接到指定的服務(wù)器完成新用戶(hù)注冊(cè)功能.注冊(cè)的信息寫(xiě)入到手機(jī)中配置信息中，已經(jīng)在服務(wù)器完成過(guò)注冊(cè)之后，直接使用保存的注冊(cè)信息登錄.

(2)客戶(hù)端提供心跳機(jī)制，定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送連接來(lái)維護(hù)自己與與服務(wù)器的連接.

(3)安卓客戶(hù)端屬于移動(dòng)設(shè)備，有可能使用WIFI接入，一旦離開(kāi)WIFI的覆蓋區(qū)域，自動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送連接斷開(kāi)的請(qǐng)求，當(dāng)再次進(jìn)入覆蓋區(qū)域，具有斷線重連的功能.

要實(shí)現(xiàn)上面定義的業(yè)務(wù)功能，需要從下面幾個(gè)方面來(lái)思考：

(1)一個(gè)安卓客戶(hù)端和服務(wù)器的通訊過(guò)程可以簡(jiǎn)化為一對(duì)一模型，通訊的過(guò)程是建立連接、傳遞數(shù)據(jù)和關(guān)閉連接.只不過(guò)，要使用XMPP協(xié)議的兩個(gè)互相通訊的實(shí)體之間，傳遞的是XML數(shù)據(jù)流.Java語(yǔ)言提供的網(wǎng)絡(luò)API很容易實(shí)現(xiàn)基于Socket的通訊網(wǎng)絡(luò).

(2)如果涉及到多個(gè)安卓客戶(hù)端，那么通訊模型變成了一對(duì)多，服務(wù)器就需要維護(hù)連接列表來(lái)存放和處理每一個(gè)客戶(hù)端數(shù)據(jù).

(3)XML的消息流到達(dá)安卓客戶(hù)端，需要被解析并以文本的形式展示，服務(wù)端的數(shù)據(jù)何時(shí)到達(dá)具有不確定性，所以，需要使用偵聽(tīng)機(jī)制來(lái)異步處理消息，Android提供的APIs已經(jīng)能夠滿(mǎn)足這個(gè)功能.服務(wù)器如果向在線的安卓客戶(hù)端發(fā)送一條信息，只需要遍歷連接列表，使用Socket發(fā)送一段XML流即可.

通過(guò)上面的思考和分析，消息推送的底層通訊的本質(zhì)是Java語(yǔ)言的Socket網(wǎng)絡(luò)通訊，通過(guò)Socket建立的管道流中傳輸?shù)氖荴ML數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是按照XMPP協(xié)議規(guī)范構(gòu)造的，服務(wù)器和安卓客戶(hù)端必須能夠理解這些XML數(shù)據(jù).所以，消息推送需要設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)必須要能實(shí)現(xiàn)下面的要求.

(1)附加在Socket通訊之上的應(yīng)用必須要提供對(duì)Socket通訊的封裝，提供性能優(yōu)良的多客戶(hù)端連接處理.

(2)需要設(shè)計(jì)一系列的類(lèi)來(lái)抽象服務(wù)器和安卓客戶(hù)端的連接、客戶(hù)端會(huì)話(huà)以及對(duì)連接的處理.

(3)需要設(shè)計(jì)XML數(shù)據(jù)流的解析器，提供對(duì)XML到應(yīng)用層數(shù)據(jù)解析工作，同時(shí)，基于XMPP通訊所需要的格式化XML數(shù)據(jù)構(gòu)造器，完成應(yīng)用層數(shù)據(jù)到XML的解析.

(4)消息接收和處理的時(shí)機(jī)具有不確定性，需要設(shè)計(jì)一系列的監(jiān)聽(tīng)器來(lái)監(jiān)聽(tīng)連接狀態(tài)的變化，進(jìn)而觸發(fā)一系列事件.

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消息推送暫時(shí)只支持向在線的安卓客戶(hù)端推送文本消息.服務(wù)端需要完成的工作分成二塊，第一塊是在某個(gè)端口上監(jiān)聽(tīng)安卓客戶(hù)端套接字連接，連接一旦建立，安卓客戶(hù)端需要使用長(zhǎng)連接的方式主動(dòng)和服務(wù)器保持連接，處理來(lái)自服務(wù)器的不同類(lèi)型的消息.第二塊是作為Web應(yīng)用服務(wù)器，在80端口監(jiān)聽(tīng)PC客戶(hù)端瀏覽器的HTTP頁(yè)面請(qǐng)求，管理員使用瀏覽器在遠(yuǎn)程呼出管理界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)安卓客戶(hù)端的管理和文本消息的推送.服務(wù)器能夠響應(yīng)瀏覽器的URL請(qǐng)求，調(diào)用部署在服務(wù)器上與URL請(qǐng)求一一對(duì)應(yīng)的服務(wù)組件來(lái)處理請(qǐng)求，最后生成響應(yīng)，呈現(xiàn)處理結(jié)果給客戶(hù)端.

XMPP服務(wù)模塊可以實(shí)現(xiàn)成一個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器，HTTP服務(wù)模塊也是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用服務(wù)器，兩個(gè)服務(wù)模塊局部數(shù)據(jù)是共享的.所以，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以用圖2來(lái)表示.

XMPP服務(wù)模塊設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于，Android客戶(hù)端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程細(xì)節(jié)仍需要一系列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括連接的管理、認(rèn)證管理以及出席狀態(tài)的管理等等.XMPP服務(wù)模塊是可以獨(dú)立運(yùn)行的服務(wù)，不依賴(lài)于HTTP服務(wù)，當(dāng)服務(wù)啟動(dòng)之后，會(huì)有一系列的實(shí)例對(duì)象被生成，常駐在服務(wù)器的內(nèi)存中.一種最佳的實(shí)踐是使用容器來(lái)管理這些實(shí)例化的對(duì)象，Spring IOC在實(shí)例對(duì)象管理方法做的比較好，所以，XMPP服務(wù)模塊在設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮使用IOC容器.

服務(wù)端的HTTP服務(wù)是典型的B/S結(jié)構(gòu)的Web應(yīng)用，已經(jīng)有很多的成熟的框架供使用，目前比較流行的是SSH方案.

圖2 推送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文使用XMPP協(xié)議作為底層的通訊協(xié)議，對(duì)協(xié)議的內(nèi)容、通訊規(guī)程和語(yǔ)法規(guī)則做了做深入的剖析，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)Android消息推送進(jìn)行了需求分析，然后對(duì)支持該協(xié)議的客戶(hù)端和服務(wù)端進(jìn)行了概要設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于其他項(xiàng)目集成并實(shí)現(xiàn)消息推送功能.