基于C#的多線程P2P即時(shí)通訊系統(tǒng)

吳曉華 梁哲 劉同來

摘要：為實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)多個(gè)終端間信息、文件互通，同時(shí)滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r(shí)性需求，結(jié)合P2P、Socket等通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)多線程即時(shí)通訊系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)絡(luò)中用戶登錄、在線用戶列表實(shí)時(shí)更新、即時(shí)性信息傳輸以及文件傳輸?shù)裙δ堋Ｏ到y(tǒng)摒棄第三方集中服務(wù)器，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸不需第三方中轉(zhuǎn)，其傳輸速率可得到大幅提升。此外，系統(tǒng)采用多線程通信技術(shù)，進(jìn)一步加速了大文件的傳輸速率。

關(guān)鍵詞：C#;P2P;局域網(wǎng);多線程;Socket

中圖分類號(hào)：TP311.52? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）36-0075-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

A C#-based Multi-Thread P2P Communicating System

WU Xiao-hua1， LIANG Zhe2， LIU Tong-lai3

（1.Network and Information Technology Center， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China; 2. China Mobile Guangxi Company， Nanning 530000， China; 3. College of Information Science and Technology， Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225， China）

Abstract： To achieve the message and file interchange among multiple clients， as well as the immediacy demand of data transmission of the clients in a local area network， a multi-thread real-time communicating system is designed using technologies such as peer-to-peer， socket and so on. The system realized the functions of user login， real-time updates of online user list， real-time message and file transmission， etc. The system eliminates the third-party centralized server， which effectively improves the security of data transmission; In the meanwhile， since there is no need for a third party to transfer data， the data transmission rate can be greatly increased. In addition， the system uses multi-thread technology， which further accelerates the transmission rate of large files.

Key words： C#; P2P; LAN; multi-thread; Socket

1 背景

作為效率低、費(fèi)用高的信件、電報(bào)、電話等老式通信技術(shù)的替代品，即時(shí)通訊系統(tǒng)因其快速、便捷等特點(diǎn)，被人們廣泛應(yīng)用于教育、商業(yè)以及社交活動(dòng)中。同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，即時(shí)通訊系統(tǒng)被賦予越來越多先進(jìn)的功能，如文件傳輸、遠(yuǎn)程視頻等，其實(shí)時(shí)性也得到不斷提高，給人們帶來諸多便利。

現(xiàn)有的即時(shí)通訊系統(tǒng)，大多采用集中式服務(wù)器-客戶端架構(gòu)（即C/S架構(gòu)）實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)、登錄以及好友列表等功能。在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，用戶憑據(jù)、聊天內(nèi)容等重要信息存儲(chǔ)在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中，任何能夠訪問服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的人都可以輕松訪問用戶信息，存在較大的安全隱患。同時(shí)，其資源損耗總是集中在服務(wù)器端，運(yùn)營成本較大。此外，一旦服務(wù)器發(fā)生故障，數(shù)據(jù)損失將不可挽回。

作為另一通信方案，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)（Peer to Peer，P2P），因其去中心化、健壯性、可擴(kuò)展性等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在即時(shí)通訊領(lǐng)域[1-2]。沒有了第三方服務(wù)器的介入，即時(shí)通訊系統(tǒng)將由用戶控制，信息安全由通訊雙方自主管理，大大提高了系統(tǒng)的安全性。

眾所周知，進(jìn)程是指在PC系統(tǒng)中正在運(yùn)行的一個(gè)應(yīng)用程序，是程序的基本執(zhí)行實(shí)體，它同所有進(jìn)程共享相同的一個(gè)存儲(chǔ)空間。而進(jìn)程的執(zhí)行需要依賴線程，也就是說，線程是進(jìn)程的最小執(zhí)行單位。一般來說，一個(gè)進(jìn)程中需要一個(gè)線程支撐。為加快文件的下載速率，本文采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步下載。

本文采用P2P、Socket、線程池等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）實(shí)現(xiàn)同一局域網(wǎng)內(nèi)用戶注冊(cè)、登錄、查看在線列表等功能，用戶主機(jī)之間實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊。

2）實(shí)現(xiàn)多用戶間文檔、音頻、圖片以及視頻等文件的傳輸。

3）實(shí)現(xiàn)多線程多任務(wù)同步，加速文件下載。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 P2P

與常見的C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同的是，P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)既可以充當(dāng)服務(wù)器端，為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，如資源、算力共享，信息交換等;又可以作為客戶端，獲取其他節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中彼此連接的每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒有主從之分，其關(guān)系對(duì)等，因此又稱對(duì)等網(wǎng)絡(luò)[3]。如圖1所示為兩種不同網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)。

利用P2P技術(shù)，可以充分利用邊緣網(wǎng)絡(luò)中潛在的帶寬資源以提高通信效率，同時(shí)還能克服中央服務(wù)器因帶寬、存儲(chǔ)等資源有限所導(dǎo)致的性能瓶頸。

2.2 多線程

為實(shí)現(xiàn)文件的多線程多任務(wù)同步，本文將文件的下載過程劃分為以下3個(gè)模塊：

1）任務(wù)創(chuàng)建

如圖2所示，每個(gè)待傳輸文件將被創(chuàng)建為一個(gè)任務(wù)，即時(shí)通訊系統(tǒng)向PC請(qǐng)求當(dāng)前內(nèi)存使用狀況，并申請(qǐng)多開線程。當(dāng)線程數(shù)量確定時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)文件進(jìn)行分塊，以達(dá)到同時(shí)下載。最后發(fā)送線程啟動(dòng)消息，等待下載完成。

2）線程鎖機(jī)制

在多線程下載過程中，為避免多任務(wù)之間的線程互相干擾，保證線程的安全。如圖3所示，本文引入線程鎖機(jī)制，即某一進(jìn)程將某個(gè)線程占用時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)該線程進(jìn)行加鎖操作，直到該進(jìn)程結(jié)束，才對(duì)線程解鎖。這樣一來，可以保證系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程時(shí)，相互之間互不干擾，為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同步下載提供了技術(shù)支持[4]。

3）線程下載

線程接收到啟動(dòng)請(qǐng)求，獲取下載任務(wù)分配的數(shù)據(jù)分塊，此時(shí)線程被鎖。等到數(shù)據(jù)接收完畢之后，線程發(fā)送請(qǐng)求解鎖消息，系統(tǒng)釋放該線程，以便其他下載任務(wù)使用，如圖4所示。

2.3 局域網(wǎng)通訊

局域網(wǎng)通訊的高效、輕便、低成本、易于管理等特點(diǎn)，使得其能應(yīng)用于校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等封閉私有領(lǐng)域[5]。基于局域網(wǎng)的即時(shí)通信系統(tǒng)能夠快速建立局域網(wǎng)內(nèi)用戶的信息交流。廣域網(wǎng)上的即時(shí)通訊軟件，一般采用UDP或者TCP協(xié)議體系[6]。國內(nèi)常見的即時(shí)通信軟件有較早的MSN即時(shí)通信軟件，還有騰訊公司的QQ、微信等，國外有Line，WhatsApp，Skype等。這些軟件在實(shí)際體驗(yàn)方面各具優(yōu)勢，也基本具備了實(shí)時(shí)通信、照片傳輸，甚至語音通話等功能[7]。然而這些軟件的具體實(shí)現(xiàn)代碼均屬于商業(yè)機(jī)密，各種技術(shù)細(xì)節(jié)不得而知。在局域網(wǎng)環(huán)境下，相較常見的基于廣域網(wǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)的軟件，局域網(wǎng)即時(shí)通訊系統(tǒng)雖然更容易被實(shí)現(xiàn)，但可借此理解TCP、UDP等通信協(xié)議以及Socket的實(shí)現(xiàn)原理，具有一定研究價(jià)值。

2.4 Socket

套接字（Socket）可以看作是雙向通訊信道中的一個(gè)端點(diǎn)，其為不同主機(jī)之間通訊創(chuàng)建通信通道，一般由IP地址和端口組成，是一個(gè)通信鏈的句柄[8-9]。Socket的簡單通信過程如圖5所示。首先，服務(wù)器端初始化Socket，綁定IP地址以及端口，同時(shí)服務(wù)器端對(duì)該端口進(jìn)行監(jiān)聽，等待客戶端的連接;這時(shí)有一個(gè)客戶端創(chuàng)建一個(gè)Socket，與該端口進(jìn)行連接，經(jīng)過“三次握手”之后，客戶端便可以與服務(wù)器端成功建立通訊;接著，客戶端可以向服務(wù)器端發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，比如數(shù)據(jù)共享、算力共享等;服務(wù)器端接受請(qǐng)求并處理，然后把請(qǐng)求的服務(wù)數(shù)據(jù)回饋給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù);最后，連接關(guān)閉，一次通信交互結(jié)束。

基于Socket設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)通訊，具有信息收發(fā)速度快、保密性好、易于編程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)功能

3.1 登錄模塊

用戶運(yùn)行即時(shí)通訊系統(tǒng)，輸入用戶名登錄。登錄之后系統(tǒng)采用UDP廣播整個(gè)網(wǎng)段，同時(shí)檢測處于同一局域網(wǎng)環(huán)境中的在線用戶，并發(fā)送用戶名和IP地址信息，告知其他用戶“我已上線”。與此同時(shí)，用戶接收上線用戶的廣播消息，并把廣播主機(jī)加入通信名單。至此，不同用戶間已經(jīng)能夠相互通訊。

3.2 通信模塊

通信模塊是本系統(tǒng)的主要模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)了用戶間信息交流，文檔、圖片、音樂以及視頻等文件的傳輸，該模塊的實(shí)現(xiàn)主要基于Socket技術(shù)。Socket端口首先對(duì)系統(tǒng)中端口進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)某個(gè)用戶請(qǐng)求文件傳輸時(shí)，建立文件發(fā)送連接，同時(shí)對(duì)方建立接口進(jìn)行文件接收，以此實(shí)現(xiàn)文件傳輸功能。

3.3 實(shí)現(xiàn)多線程通信

對(duì)于P2P網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)用戶既是客戶端又是服務(wù)器端，當(dāng)建立連接后，其中一個(gè)客戶端提出請(qǐng)求，服務(wù)器端將產(chǎn)生一個(gè)線程用來與該客戶端建立起Socket連接。由于線程的創(chuàng)建和銷毀會(huì)產(chǎn)生一定開銷，同時(shí)線程過多帶來調(diào)度開銷以及降低內(nèi)存資源利用率，進(jìn)而影響系統(tǒng)整體性能。出于對(duì)性能的考慮，本文引入線程池模式。線程池維護(hù)著多個(gè)線程，等待系統(tǒng)分配可并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)，線程執(zhí)行完畢之后不會(huì)立即被銷毀，避免了處理短期任務(wù)頻繁創(chuàng)建與銷毀線程導(dǎo)致的執(zhí)行延遲以及能耗等代價(jià)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

程序在三臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了運(yùn)行，并測試功能的完備性，系統(tǒng)基于C#語言開發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的登錄功能、通信功能以及文件傳輸功能進(jìn)行了測試。

如圖6為此聊天系統(tǒng)的啟動(dòng)界面，顯示本機(jī)IP地址以及登錄用戶名。

如圖7所示，用戶成功登錄系統(tǒng)，通過UDP向整個(gè)網(wǎng)段廣播，通知所有在線用戶。

如圖8所示，監(jiān)聽到新用戶上線所發(fā)送的UDP消息，將新上線用戶添加入通信列表。

局域網(wǎng)下文件的P2P共享，包括音頻、圖片以及視頻等文件的傳輸，是本系統(tǒng)最核心的功能，系統(tǒng)的多線程多任務(wù)主要在此模塊實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)文件傳輸與通信功能同步。

如圖9所示，其中一個(gè)用戶向另一用戶發(fā)送文件，在選擇文件以及保存文件時(shí)調(diào)用Window自帶的文件存儲(chǔ)目錄，完成文件的發(fā)送和接收。

信息發(fā)送是本系統(tǒng)的另一個(gè)核心功能，包含以廣播形式發(fā)送的文字信息，以及選擇某個(gè)用戶進(jìn)行私聊的通信模塊，信息發(fā)送的實(shí)現(xiàn)同樣采用基于Socket技術(shù)。

如圖10所示，選擇想要進(jìn)行對(duì)話的用戶，應(yīng)用P2P技術(shù)，便可進(jìn)行聊天，系統(tǒng)顯示用戶發(fā)送消息的時(shí)間、用戶名以及用戶IP地址。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的多線程P2P即時(shí)通訊系統(tǒng)，采用了P2P技術(shù)，Socket技術(shù)以及線程池等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了登錄模塊，即時(shí)通訊模塊以及文件傳輸模塊。采用基于TCP的Socket通信機(jī)制，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的準(zhǔn)確性、及時(shí)性。通過在三臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，文件傳輸速度快。系統(tǒng)很好地解釋了P2P、Socket以及多線程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，為后續(xù)開發(fā)多線程P2P通訊技術(shù)提供了參考。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】