XMPP协议分析与应用探讨
摘 要： 分析了XMPP协议XMPP协议XMPP协议XMPP协议的地址规范和数据结构，讨论了XMPP协议的工作过程和安全机制，给出了XMPP客户端程序设计中要考虑的关键问题。关键词： XMPP JID XML流 认证 加密
可扩展消息处理现场协议(eXtensible Messaging and Presence Protocol，XMPP)是一种基于可扩展标记语言(eXtensible Markup Language，XML)的近端串流式即时通信协议。它将现场和上下文敏感信息标记嵌入到XML结构化数据中，使得人与人之间、应用系统之间以及人与应用系统之间能即时相互通信。XMPP协议已被批准为互联网即时通信协议标准。1 XMPP的地址和数据结构1.1 实体地址 XMPP整体框架。图中，XMPP框架的各类实体(如XMPP客户、服务器和网关等）的地址称为甲吧地址(Jabber Identifier，JID)。JID惟一确定进行即时消息和在线状态信息通信的独立对象或实体，并可兼容其他即时通信系统（如MSN等）相应的实体标识及其在线状态信息。其语法规则为：[节点″@″] 域名[″/″资源]，其中各个域的长度不能超过1 023 字节，总长度最大为3 071字节。

域名指定了实体连接的XMPP服务器。每个可用XMPP服务器都拥有一个完整域名，域名可在域名系统(DNS)中查找；节点可表示某用户、一类应用或某项服务，所有节点都对应一个精确的域名；资源用来识别属于用户的特殊对象(如设备或位置)，允许一个用户同时以多个资源与同一XMPP服务器连接，如yb@/lab、yb@/chat。1.2 XMPP的数据结构 由于XMPP是基于XML的协议，因此用户可根据自己的需要定义标记，表述几乎任何一种结构化数据，并可方便地创建定制的应用或增加功能。1.2.1 三个顶级XML元素 XMPP定义的3个关键顶级XML元素为<message/>、<presence/>和<iq/>(info/query)，每个元素都可以通过属性和名字空间包含大量数据，其属性和名字空间都是XMPP的组成部分。<message/>元素用来包含2个XMPP实体间互相发送的消息内容；<presence/>元素表示实体可用性信息，可用性信息有“可用”和“不可用”2种；<iq/>元素用来构建2个实体间的会话，并且允许实体间来回传送XML格式的请求和响应以便取得或设置公共的用户信息，如名字等。 即时通信中名字冲突问题使用XML的命名空间特性来解决。XML命名空间定义了一种将XML中使用的元素和属性与统一资源定位符(Uniform Resource Locator，URL)引用联系起来对元素和属性进行定义的方法。1.2.2 XMPP的数据结构 从结构上看，XMPP有3种数据：XML流、流认证和XML节。XML流是实体交换XML元素的容器，以<stream>开始，以</stream>结

束，是通信双方采用异步方式进行数据传输的标准方法，在整个XMPP通信过程中处于最外层；XML节是实体通过XML流传输的结构化信息单元，在XML流中以深度为1的子标记开头，并以深度为1的子标记结束，这些标记为<message/>、<presence/>和<iq/>。XML节也可通过包含其他子元素来传送结构化信息，是实际需要交换的信息所在地；流认证是在XML流中有关协商传输层安全协议、简单认证与安全层协议和服务器回拨认证协议完成通信认证、加密等目的的数据交互，是XMPP安全机制的重要组成部分。 XMPP为XML流扮演通用“传输层”的角色。XML流中包含传输的认证信息和现场消息，XMPP能使数据高效路由至最合适的请求源，并最大限度地简化客户机上的实现，使跨应用实时交流信息成为可能。2 工作过程 (1)节点(如yb、pt)向本地服务器连接。 ①XMPP用户通过开启一个从客户端到服务器端的XML流，来申请一个在服务器上的Socket连接。SEND： <stream：stream to=′′ xmlns=′jabber：client′ xmlns：stream=′′ id=′180763465′ xmlns=′jabber：client′ xmlns：stream=′使用DNS查找，连接到服务器上并进行认证）。 (6)XMPP服务器证实sd连接到该服务器上，yb被授权与sd进行通信。 (7)数据在yb与sd间流动。 (8)用户退出，退出时只需要关闭<stream>。3 安全机制3.1 简单认证和安全层协商机制 简单认证和安全层(Simple Authentication and Security Layer，SASL)可以为基于连接的协议加入认证机制，提供KERBEROS_V4、PLAIN和DIGEST-MD5等多种认证方法。每种认证机制包含认证机制名、认证过程初始化命令、认证控制命令、特定8位码和解释器等信息。 在认证过程中，认证服务器完成认证、授权标识传送、简单认证和安全层协商3个方面的工作。在XMPP中，SASL处理步骤如下（C：客户端，S：SASL认证服务器）： (1)C、S之间建立连接。(2)S向C提供认证机制列表。(3)C在认证机制列表中选择一种认证机制。(4)S向C询问授权信息。(5)C向S提交授权信息。(6)S向C返回认证成功或失败信息。3.2 回拨认证 在通信过程中，2个XMPP服务器之间经常需要通信，为避免利用服务器欺骗方式进行信息伪造，XMPP 采用了回拨认证机制。回拨认证依靠DNS技术完成，利用回拨认证机制，一个服务器可以确认与自己建立连接的服务器是否经过合法授权，回拨认证过程为：(1)源服务器和接收服务器建立连接，并向接收服务器请求认证。接收服务器回应，并分配认证会话ID。(2)源服务器向接收服务器发送认证密钥。(3)

接收服务器与认证服务器建立连接。认证服务器同时为该认证会话分配一个验证会话ID。(4)接收服务器把源服务器提交来的密钥和验证会话ID 发送给认证服务器，请求验证。(5)认证服务器验证密钥，并给接收服务器返回认证结果。(6)接收服务器给源服务器返回认证结果。3.3 加 密 虽然SASL提供了先进的认证机制，通信双方必须经过特定的授权认证才能进行正常通信，但是登录信息一般都是密码和用户名等重要信息，它们大多采用明文方式传送，因此很容易被窃听。为解决该问题，XMPP采用基于传输层安全协议(Transport Layer Security，TLS)的“STARTTLS”扩展来为通信双方提供机密性和数据完整性服务。TLS协议基于对称密钥算法和公钥加密算法，能为各类客户/服务器产品提供安全传输服务，现已成为保密通信的工业标准。 TLS协议框架主要有2个层次的协议：TLS握手协议和TLS记录协议。TLS握手协议用来让服务器与客户在传输应用层数据之前交换TLS协议版本信息、协商加密算法、进行(相互)身份认证并交换密钥。TLS记录协议用来将应用层提供的信息进行分组、压缩、数据完整性检查和加密。数据完整性检查通过比较传输前后使用安全散列函数（如SHA和MD5 等)计算出来的数据的MAC值是否一致来完成。数据加密采用对称密码算法（如R4和DES等）。对数据进行完整性检查和加密的密钥由TLS握手协议来协商。 XMPP中采用的STARTTLS扩展处理流程如下(C：客户端，S：TLS服务器）： (1)C、S之间建立XML流会话连接。 (2)S 向C 发送STARTTLS扩展服务需求及支持的其他认证机制列表，代码实例如下： <stream：features> <starttls xmlns=′urn：ietf：params：xml：ns：xmpp-tls′> <required/> </starttls> <mechanisms xmlns=′urn：ietf：params：xml：ns：xmppsasl′> <mechanism>DIGEST-MD5</mechanism> <mechanism>PLAIN</mechanism> </mechanisms> </stream：features> (3)C发送STARTTLS命令给S。 (4)C、S中TLS握手协议开始协商相关加密算法及密钥。 (5)若TLS握手协议协商成功，则关闭当前XML流会话，C发起一个新的XML流会话，所有传送的信息均被TLS记录协议加密。TLS握手协议协商不成功则发出警告信息。 (6)S向C回复新XML流会话。4 客户端程序设计中的关键问题 由于网络中已存在大量的XMPP服务器，在一般的应用开发中，只要设计自定功能的客户端程序即可，并可以选用Smack库来加速开发。 (1)创建一个XMPP连接。因为XMPP使用TCP协议，所以首先必须创建一个网络连接，XMPPConnection就是Smack库用来创建与XMPP服

务器连接的类，创建一个XMPP连接的代码如下： XMPPConnection connection=new XMPPConnection(″″)； 如要创建加密连接，可以使用SSLXMPPConnection类： XMPPConnection connection=new SSLXMPPConnection(″″)； (2)登录。TCP连接创建后，需要使用用户名和密码登录到XMPP服务器，登录程序可以使用XMPPConnection.login(String username，String password)方法。登录后就可以和其他人聊天。connection.login(″yb″，″password″)；//connection为已创建的XMPP连接，下同 connection.createChat(″yb@″).sendMessage(″Hello!″)； (3)操作名册。每个用户都包括：一个XMPP地址(如“yb@”)、名称或昵称(如″yb″)，及其所属列表(如好友、同事等)。名册能够跟踪好友或某用户组是否在线及其状态信息，登录后，可以使用Roster类来取得好友或某用户组的状态，代码如下： Roster roster=con.getRoster( )； for (Iterator i=roster.getEntries( )；i.hasNext( )； ) { System.out.println(i.next( ))；} 名册信息通常是随时变化的，可能需要增加或删除。要监听名单及其在线状态的改变，可以使用RosterListener。 (4)发送和接收消息。发送接收消息可以使用Chat和GroupChat类。下面介绍如何使用Chat发送文本消息，GroupChat的使用方法类似。 Chat newChat=connection.createChat(″yb@″)；//创建新Chat newChat.sendMessage(″Hello!″)；//发送消息″Hello!″ 利用Chat.sendMessage( )方法可以方便地创建一个消息对象，它的参数就是消息内容，执行后消息会发送出去。Chat对象还能侦听对方的回应，下面的代码会将收到的任何消息返回给发送端。 Chat newChat=connection.createChat(″yb@″)； newMessage.setBody(″Hi， I′m waiting for you.″)； while (true) { Message message=newChat.nextMessage( )；//等待对方发送消息 newChat.sendMessage(message.getBody())；//把对方 }//发送来的消息发回去 (5)修改状态。要修改状态可以用presence.Type.UNAV-ILABLE作为参数创建一个presence，状态将改变为不在线状态。以下代码将修改为不在线状态，并告知溜冰去了： Presence presence=new Presence(Presence.Type.UNAVAILABLE)； presence.setStatus(″Gone skating″)；5 结束语 目前，全球有20万个即时通信平台支持XMPP，有1 000万人在使用。简单的接口、开放的协议、互联的架构、权威的标准再加上坚实的用户基础是XMPP的优势。相信XMPP将为即时通信技术的运用提供更为广阔的空间。