基于XMPP擴展協(xié)議的遠程控制系統(tǒng)研制

周欣 倫立寶 張庚 劉革

(1 江西省電力公司 江西 南昌 330077)

（2 河北遠東哈里斯通信有限公司 河北 石家莊 050200）

（3 中國電力科學研究院 北京 100192）

（4 四川省電力公司 四川 成都 610041）

基于XMPP擴展協(xié)議的遠程控制系統(tǒng)研制

周欣1倫立寶2張庚3劉革4

(1 江西省電力公司 江西 南昌 330077)

（2 河北遠東哈里斯通信有限公司 河北 石家莊 050200）

（3 中國電力科學研究院 北京 100192）

（4 四川省電力公司 四川 成都 610041）

隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，遠程控制技術得到越來越廣泛的應用。針對目前實際應用中遠程控制存在的可達性不可靠、不夠安全以及不易擴展等問題，對XMPP協(xié)議系統(tǒng)架構(gòu)、消息格式、安全機制以及擴展性進行研究，通過擴展XMPP協(xié)議，設計了一種采用基于XMPP擴展協(xié)議的即時通信客戶端作為控制端，通過“客戶端-服務器”到“服務器-客戶端”的模式架構(gòu)進行通信的遠程控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)仿真，驗證了系統(tǒng)的有效性和可行性。

遠程控制 XMPP 協(xié)議擴展 XML

1 引言

遠程控制[1]是指由一臺設備（電腦、PDA或手機等）在一定的距離之外去控制另一臺設備的技術。傳統(tǒng)的遠程控制通常相互孤立，不利于拓展和再開發(fā)，同時由于其中間要經(jīng)過的網(wǎng)絡環(huán)境比較多，所以具有可達性不可靠、不定延時和不夠安全等缺點。XMPP協(xié)議采用開放結(jié)構(gòu)，可擴展性強。采用XMPP服務器，不同的客戶端只要能夠訪問XMPP服務器即可保證其連通性，能夠有效跟蹤雙向控制信息到達的時間和邏輯順序。因此可以對XMPP協(xié)議進行擴展，設計一種基于XMPP擴展協(xié)議的遠程控制系統(tǒng)。

2 XMPP協(xié)議

2.1 XMPP概述

XMPP是基于可擴展標記語言(XML)的協(xié)議，可用于服務類實時通訊、表示和需求響應服務中的XML數(shù)據(jù)元流式傳輸。該協(xié)議可以使具有不同操作系統(tǒng)和瀏覽器的用戶通過因特網(wǎng)向其他任何因特網(wǎng)用戶發(fā)送即時消息。XMPP廣泛應用于基于C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，采用TCP協(xié)議進行網(wǎng)絡通信，不局限于網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。XMPP的網(wǎng)絡架構(gòu)[2]如圖1所示。

圖1 XMPP網(wǎng)絡架構(gòu)

2.2 XMPP協(xié)議的消息格式

XMPP是一個基于XML流的協(xié)議[3]，XMPP在結(jié)構(gòu)上有3種數(shù)據(jù)：XML流、XML節(jié)和流認證。

①XML流是網(wǎng)絡上任意2個實體之間進行XML元素交換的容器，XML流起始標記為，是通信雙方采用異步方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴史椒?，控制系統(tǒng)正常的通信，在整個通信過程中處于最外層。在流的整個生命周期，初始化其實體可以通過流來發(fā)送大量的XML元素，實現(xiàn)接收實體和初始實體之間的信息交換；

②XML節(jié)存在于流節(jié)點的下級，是通過XML流傳輸?shù)牟贿B續(xù)的結(jié)構(gòu)化信息單元，為通信雙方進行內(nèi)容交換提供通信框架。XML節(jié)的開始都由深度為1的XML流的開始標記元素表示，結(jié)尾由相應的深度為1的關閉標記表示。在XMPP協(xié)議中定義了3個節(jié)點，分別為、和。XML節(jié)也可通過包含其他子元素來傳送結(jié)構(gòu)化信息，該子元素是實際需要交換的信息；

③流認證是在XML流中有關協(xié)商傳輸層安全協(xié)議、簡單認證與安全層協(xié)議、服務器回撥認證協(xié)議完成通信認證和加密等目的的數(shù)據(jù)交互，是XMPP安全機制的重要組成部分。任何客戶端到服務器、服務器到服務器之間的消息傳遞，其底層通信都是通過XML流來實現(xiàn)的。

2.3 XMPP協(xié)議安全機制

網(wǎng)絡服務安全系統(tǒng)主要體現(xiàn)在這4個方面[4]：認證、授權(quán)、數(shù)據(jù)保護和認可。XMPP在協(xié)議層提供了多層的安全措施。由于在協(xié)議里直接對安全措施做出要求，所以任何XMPP的實現(xiàn)都要完成。認證用來保證網(wǎng)絡的各個環(huán)節(jié)都能得到相應的服務。授權(quán)決定了請求者是否可以使用請求的內(nèi)容。數(shù)據(jù)保護用來保證傳輸過程中數(shù)據(jù)的機密性和完整性。認可指確保信息發(fā)送者和創(chuàng)建者的一致性。XMPP協(xié)議采用認證和加密的辦法提供一個覆蓋4個要素的安全框架，建立連接階段采用SASL（簡單認證和安全層協(xié)議）進行認證。傳輸階段通過TLS（傳輸層安全）協(xié)議進行加密。鑒于XMPP的應用目的，其客戶端的身份認證的重要性比其他系統(tǒng)大得多。用戶必須在它所注冊的服務器進行認證，用戶不會因簡單將信息頭改變事件而被欺騙。

2.4 XMPP擴展

XMPP繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性?；赬MPP的應用可以通過發(fā)送擴展的信息來處理用戶的需求，具有超強的可擴展性。

為了實現(xiàn)遠程控制，可以在i/q節(jié)上通過增加命名空間和子元素，對XMPP協(xié)議進行擴展。主要增加、和3個子元素，分別表示被控終端所具有的屬性、被控終端當前工作狀態(tài)以及對被控終端能夠進行的操作。

3 遠程控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)的控制端采用基于XMPP擴展協(xié)議的即時通訊客戶端，便于對系統(tǒng)進行推廣和功能擴展。系統(tǒng)通信采用“客戶端-服務器”到“服務器-客戶端”的模式架構(gòu)?？蛻舳送ㄟ^先注冊后登陸的方式，有效地防止“非法”用戶的操作，具有較高的安全性。

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個系統(tǒng)由用戶終端模塊、服務器模塊、控制終端模塊和被控終端模塊組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

各個模塊的功能如下：

①用戶終端作為控制信息發(fā)起的源頭以及反饋信息接收的終點，可以是電腦、手機或其他可與XMPP服務器進行交互，具有可視化操作界面的終端，需要向XMPP服務器進行注冊和登陸，主要用來發(fā)送用戶指令和接受反饋信息；

②服務器模塊作為XMPP通訊的管理者，主要管理連接到服務器的實體間的會話，負責將用戶的指令信息傳送給控制終端。系統(tǒng)XMPP服務器采用功能完備、安全性高和易于管理的Openfire服務器。在整個遠程控制系統(tǒng)中，XMPP服務器僅起橋梁作用，控制雙方只需各自接入互聯(lián)網(wǎng)并連接到服務器即可；

③控制終端模塊是信息指令的解析模塊，可以是電腦或手機等智能終端，同樣采用基于XMPP協(xié)議的客戶端，需要向XMPP服務器進行注冊和登陸，接收XML指令信息流并將其翻譯成被控終端設備能夠處理的控制命令，傳輸給終端設備，同時也負責向設備用戶反饋控制信息。系統(tǒng)采用控制端來接收和解析XML用戶指令，并不涉及具體的被控終端設備，可以方便地在控制終端添加或者刪除對被控終端設備的操作信息，提高系統(tǒng)的可擴展性；

④被控終端主要是需要進行遠程控制的各種終端設備，根據(jù)控制終端發(fā)出的指令執(zhí)行相應的動作，并將操作成功與否的信息反饋給控制終端。

3.3 系統(tǒng)通信機制

系統(tǒng)通信過程主要由4個通信模塊構(gòu)成：用戶終端與XMPP服務器之間的通信，XMPP服務器與XMPP服務器之間的通信，XMPP服務器與控制終端之間的通信，以及控制終端與被控終端設備之間的通信。

①用戶終端與XMPP服務器之間的通信，主要是將用戶指令傳輸給XMPP服務器。XMPP服務器與控制終端之間的通信，主要是將用戶的XML指令信息流傳輸給控制終端，并將控制終端的反饋信息發(fā)送給服務器。用戶終端和控制終端作為XMPP客戶端，與XMPP服務器之間進行通信交換信息之前需要建立流。通過TLS協(xié)商和SASL認證來確保流的安全傳輸，對端到端通信的內(nèi)容主體可采用加密傳進。通信方式分為有線連接和無線連接2種，實現(xiàn)其傳輸?shù)膮f(xié)議主要有GPRS、HTTP和Wi-Fi等；

②XMPP服務器之間的通信主要是實現(xiàn)XML信息流的傳遞，可以采用指定通信雙方的方式進行管理，一臺服務器只與指定的服務器進行通信。服務器之間需要建立一定程度的信任關系才能夠進行通信。如果信任關系已經(jīng)存在，則可以繼續(xù)沿用，同時采用SASL為雙方通信提供認證；

③控制終端與被控終端設備之間的通信，主要是為了將解析出的控制指令傳輸給終端設備，同時控制終端接收終端設備的反饋信息。為了方便，一般選用無線方式進行傳輸，如藍牙和ZigBee等。

4 遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 客戶端實現(xiàn)

用戶終端采用基于XMPP擴展協(xié)議的客戶端，客戶端的開發(fā)采用C#語言來實現(xiàn)，根據(jù)客戶端的任務要求，客戶端采用分層設計[5]，如圖3所示。

連接層主要提供通信鏈接功能。系統(tǒng)采用TCP套接字鏈接方式，用戶在客戶端初始化后發(fā)起連接請求，TCP從用戶界面模塊中得到用戶名、密碼和服務器地址等輸入信息，然后與服務器建立TCP連接。

圖3 客戶端分層結(jié)構(gòu)

XMPP層包括2個模塊：協(xié)議功能模塊和解析模塊。在系統(tǒng)客戶端中處于核心位置。XMPP協(xié)議功能模塊：負責管理客戶端與服務器端、客戶端與客戶端之間的通信進程，包括用戶注冊、會話建立和即時消息交換等。XMPP解析模塊：負責對輸入的信息進行XMPP編碼。對于用戶發(fā)送的控制指令信息，需要給出、和3個子元素的相關設置。對于XMPP服務器發(fā)送給客戶端的信息，負責對從TCP套接字上收到的數(shù)據(jù)中的XMPP消息進行解析，從中取出相應的Message。

應用程序接口層主要為交互界面提供統(tǒng)一接口調(diào)用。GUI層主要負責提供一個便于操作的友好圖形界面，分為用戶登錄界面和顯示界面，采用WPF技術進行界面的設計與實現(xiàn)。控制終端同樣采取基于XMPP擴展協(xié)議的客戶端，在具有用戶終端所具有的基本功能外，還需提供如下功能：①對終端設備數(shù)據(jù)信息的顯示，包括設備的基本屬性信息和工作狀態(tài)信息；②通過發(fā)送定制控制指令信息，改變終端設備的工作狀態(tài)。

4.2 服務器端實現(xiàn)

系統(tǒng)采用基于XMPP協(xié)議的Openfire作為服務器端。Openfire[6]是一個采用純Java語言開發(fā)的、基于XMPP協(xié)議的和可跨平臺的開源實時協(xié)作服務端軟件平臺，采用插件方式，方便進行功能擴展。Openfire能夠?qū)Σ煌磿r通訊軟件之間通信的應用提供支持。

XMPP客戶端與Openfire服務器通過創(chuàng)建連接完成信息流的交互，主要包括：請求認證和消息處理。

①請求認證：服務器對請求連接進行監(jiān)聽，一旦發(fā)現(xiàn)連接請求，立即調(diào)用信息處理模塊對請求包內(nèi)的XML消息進行處理。如果認證條件滿足，則將該認證結(jié)果反饋給發(fā)起連接請求的客戶端，并開啟一個新的會話來傳輸該客戶端的信息，直到客戶端關閉信息流為止；如果認證條件不滿足，則將認證失敗的結(jié)果反饋給請求客戶端。若用戶是第一次發(fā)起連接請求，則要先完成用戶注冊，再接受請求認證。

②消息處理：認證通過后，服務器會依據(jù)客戶端的JID來建立不同的會話，每個會話均由獨立的線程來管理，為保證會話的效率，對這些線程采用線程池的策略進行管理。由于即時通訊需要保證實時性，服務器必須實時監(jiān)測好友客戶端的在線情況，只有確認客戶端在線，才能將信息實時地傳送過去。

4.3 遠程控制具體流程

基于XMPP可擴展協(xié)議的遠程控制具體流程如下：①用戶通過安裝有即時通訊客戶端的手機或PC終端注冊并登陸XMPP服務器；②用戶通過客戶端發(fā)送控制指令；③XMPP服務器接收控制指令并對其進行處理，通過Internet網(wǎng)絡傳遞給目標XMPP服務器；④目標XMPP服務器接收到XML信息流后將其發(fā)送給控制終端；⑤控制終端解析XML信息流并將其“翻譯”成被控設備終端能夠接受的指令，傳輸給被控終端；⑥被控終端設備接收到指令信息后，采取相應的操作，并將操作成功與否的信息反饋給控制終端；⑦控制終端收到反饋信息后將其通過XMPP服務器發(fā)送給系統(tǒng)用戶；⑧系統(tǒng)用戶收到反饋信息并確定下一步動作。上述流程步驟給出了一個基于XMPP可擴展協(xié)議的遠程控制流程系統(tǒng)的總體思路。在具體實現(xiàn)過程，尚有很多工作要做。

5 結(jié)束語

XMPP協(xié)議由于其易于實現(xiàn)的方式、開放的框架結(jié)構(gòu)以及嚴密的語法描述，廣泛用于即時通訊領域。通過對XMPP協(xié)議進行擴展，開發(fā)基于XMPP擴展協(xié)議的即時通訊控制終端并將其用于遠程控制系統(tǒng)，可以使遠程控制運行在各種常用的設備上，具有良好的通用性,便于業(yè)務的擴展。同時，由于XMPP支持SSL128位加密傳輸，保障了系統(tǒng)的安全性。

[1]肖云鵬,李茜．基于SIP和P2P的移動設備遠程控制[J].重慶郵電大學學報,2008,20(5):617-620.

[2]王龍濤.基于XMPP協(xié)議的服務器關鍵技術研究[D].西安電子科技大學,2008(1):8-9.

[3]吳玉婷.基于XMPP協(xié)議的即時消息系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學,2009(3):12-13.

[4]苗凱.XMPP的安全機制分析[J].通信技術，2003(8): 101-105.

[5]蔣恒.基于XMPP遠程視頻培訓咨詢系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[D].湖南大學,2011(9):34-38.

[6]潘鳳,王華軍,苗放,等.基于XMPP協(xié)議和Openfire的即時通信系統(tǒng)的開發(fā)[J].計算機時代，2008(3):15-16．

Development of Remote Control System Based on XMPP Extended Protocol

ZHOU Xin1,LUN Li-bao2,ZHANG Geng3,LIU Ge4
(1 Jiangxi Electric Power Corporation,Nanchang Jiangxi 330077,China)
(2 Hebei Far-east Harris Communications Co.,Ltd.,Shijiazhuang Hebei 050200,China)
(3 China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China)
(4 Sichuan Electric Power Corporation,Chengdu Sichuan 610041,China)

With the development of network,the remote control technology is widely used.Aiming at such problems as unreliable accessibility,inadequate security and unexpansibility existing in current real application of remote control,the XMPP protocol system architecture,the message format,the security mechanism and the extensibility are studied.By extending the XMPP protocol,the remote control system is designed,which uses the instant messaging client based on XMPP extended protocol as the control terminal and implements communication through the“client-server”to“server-client”pattern architecture.The system simulation results prove the effectiveness and feasibility of system.

remote control;XMPP;protocol extension;XML

TP393

A

1008-1739(2014)02-66-4

定稿日期：2013-12-26