《基于实践，设计一个百万级别的高可用 & 高可靠的 IM 消息系统》

2022-05-28 15:14:11 浏览数 (2)

原文链接：

https://xie.infoq.cn/article/4061081a5ce66137a8c021994

从事后台开发工作 3 年有余了，其中让我感触最深刻的一个项目，就是在两年前从架构师手上接过来的 IM 消息系统模块。

下面我将从开发者的视角出发，一步一步的与大家一起剖析：如何去设计一个能支撑起百万级别的高可用高可用的 IM 消息系统架构；

下面我主要围绕着七个主题进行说明：项目背景、背景需求、实现原理、开发方案、对比方案、成果展示和参考文献。

项目背景

我们仔细观察就能发现，生活中的任何类型互联网服务都有 IM 系统的存在，比如：

  • 基础性服务类-腾讯新闻（评论消息）
  • 商务应用类-钉钉（审批工作流通知）
  • 交流娱乐类-QQ/微信（私聊群聊 &讨论组 &朋友圈）
  • 互联网自媒体-抖音快手（点赞打赏通知）

总结：在这些林林总总的互联网生态产品里，消息系统作为底层能力，在确保业务正常与用户体验优化上，始终扮演了至关重要的角色。

系统需求

我们将 IM 系统的需求需要满足四点：高可靠性、高可用性、实时性和有序性。

1.架构设计

  • IM 消息-微服务：拆分为用户微服务 &消息连接服务 &消息业务服务
  • IM 消息-存储架构：兼容性能与资源开销，选择 reids&mysql
  • IM 消息-高可用：可以支撑起高并发场景，选择 Spring 提供的 websocket
  • IM 消息-支持多端消息同步：app 端、web 端、微信公众号、小程序消息
  • IM 消息-支持在线与离线消息场景

2.架构图

3.分层架构

实现原理

实现原理我们通过六个单元模块来剖析：

  • 消息存储模型：关注数据模型与存储工具选型
  • 消息消费模式：关注高可用性与性能
  • 消息实时通信：关注连接管理与框架选型
  • 微服务设计：关注业务代码划分
  • 离线消息方案：关注推送方式与实现方案
  • 总结：总结方案的各项指标

P1 消息存储模型

读扩散和写扩散

我们举个例子说明什么是读扩散，什么是写扩散：

一个群聊“相亲相爱一家人”，成员：爸爸、妈妈、哥哥、姐姐和我（共 5 人）；

因为你最近交到女朋友了，所以发了一条消息“我脱单了”到群里面，那么自然希望爸爸妈妈哥哥姐姐四个亲人都能收到了。

优化前的群聊消息发送的流程如下：

  • 1）遍历群聊的成员并发送消息；
  • 2）查询每个成员的在线状态；
  • 3）成员不在线的存储离线；
  • 4）成员在线的实时推送。

数据模型如下：

难点在于：如果第四步发生异常，群友会丢失消息，那么会导致有家人不知道“你脱单了”，造成催婚的严重后果。所以优化的方案是：不管群员是否在线，都要先存储消息。

一次优化后的发送群消息的流程优化如下：（写扩散）

  • 1）遍历群聊的成员并发送消息；
  • 2）群聊所有人都存一份；
  • 3）查询每个成员的在线状态；
  • 4）在线的实时推送。

数据模型如下：

难点在于：每个人都存一份相同的“你脱单了”的消息，对磁盘和带宽造成了很大的浪费（这就是写扩散）。所以优化的方案是：群消息实体存储一份，用户只存消息 ID 索引。

二次优化后的发送群消息的流程优化如下：（读扩散）

  • 1）遍历群聊的成员并发送消息；
  • 2）先存一份消息实体；
  • 3）然后群聊所有人都存一份消息实体的 ID 引用；
  • 4）查询每个成员的在线状态；
  • 5）在线的实时推送。

数据模型如下：

特点

  • 读扩散：读取操作很重，写入操作很轻；资源消耗相对小一些
  • 写扩散：读取操作很轻，写入操作很重；资源消耗相对大一些

从公开的技术资料来看，微信的群聊消息应该使用的是存多份（即扩散写方式），详细的方案可以在微信团队分享的这篇文章里找到答案：《微信后台团队：微信后台异步消息队列的优化升级实践分享》。

消息模型

我们将消息业务需求抽象出六个消息模型点：用户/联系人关系/用户设备/用户连接状态/消息/消息队列；

  • 用户
  • 用户->用户终端设备：每个用户能够多端登录并收发消息；
  • 用户->消息：考虑到读扩散，每个用户与消息的关系都是 1：n；
  • 用户->消息队列：考虑到读扩散，每个用户都会维护自己的一份“消息列表”（1:1），如果考虑到扩容，甚至可以开辟一份消息溢出列表接收超出“消息列表”容量的消息数据（此时是 1：n）；
  • 用户->用户连接状态：考虑到用户能够多端登录，那么 app/web 都会有对应的在线状态信息（1：n）；
  • 用户->联系人关系：考虑到用户最终以某种业务联系到一起，组成多份联系人关系，最终形成私聊或者群聊（1：n）；
  • 联系人关系
  • 业务决定用户与用户之间的关系：比如说，某个家庭下有多少人，这个家庭群聊就有多少人；在 ToB 场景，在钉钉企业版里，我们往往有企业群聊这个存在；
  • 消息
  • 消息->消息队列：考虑到读扩散，消息最终归属于一个或多个消息队列里，因此群聊场景它会分布在不同的消息队列里；
  • 消息队列
  • 消息队列：确切说是消息引用队列，它里面的索引元素最终指向具体的消息实体对象
  • 用户连接状态
  • 用户连接状态：

- 对于 app 端：网络原因导致断线，或者用户手动 kill 掉应用进程，都属于离线

- 对于 web 端：网络原因导致浏览器断网，或者用户手动关闭标签页，都属于离线

- 对于公众号：无法分别离线在线

- 对于小程序：无法分别离线在线

  • 用户终端设备
  • 终端设备：客户端一般是 Android&IOS，web 端一般是浏览器，还有其他灵活的 WebView（公众号/小程序）

消息存储

我们对于消息存储方案其实有两种方案，下面分别解析这两个方案的优点与弊端：

  • 方案一：考虑性能，数据全部放到 redis 进行存储
  • 方案二：考虑资源，数据用 redis mysql 进行存储

方案一：redis

  • 前提
  • 用户 &联系人关系，由于是业务数据，因此统一默认使用关系型数据库存储
  • 流程图
  • （1）用户发消息
  • （2）redis 创建一条实体数据 &一个实体数据计时器
  • （3）redis 在 B 用户的用户队列 添加实体数据引用
  • （4）B 用户拉取消息（后续 5.2 会提及拉模式）
  • 解决方案
  • 用户队列，zset（score 确保有序性）
  • 消息实体列表，hash（msg_id 确保唯一性）
  • 消息实体计数器，hash（支持群聊消息的引用次数，倒计时到零时则删除实体列表的对应消息，以节省资源）
  • 优点
  • 1、内存操作，响应性能好
  • 弊端
  • 1、内存消耗巨大，eg，阿里云 20G 内存，百万业务量下，每 2~3 个月就消耗了 50%资源，需要手动清理数据
  • 2、受 redis 容灾性策略影响较大，如果 redis 宕机，直接导致数据丢失（可以使用 redis 的集群部署/哨兵机制/主从复制等手段解决）

方案二：redis mysql

  • 前提
  • 用户 &联系人关系，由于是业务数据，因此统一默认使用关系型数据库存储
  • 流程图
  • （1）用户发消息
  • （2）mysql 创建一条实体数据
  • （3）redis 在 B 用户的用户队列 添加实体数据引用
  • （4）B 用户拉取消息（5.2 会提及拉模式）
  • 解决方案
  • 用户队列，zset（score 确保有序性）
  • 消息实体列表，转移到 mysql（表主键 id 确保唯一性）
  • 消息实体计数器，hash（删除这个概念，因为磁盘可用总资源远远高于内存总资源，哪怕一直存放 mysql 数据库，在业务量百万级别时也不会有大问题，如果是巨大体量业务就需要考虑分表分库处理检索数据的性能了）
  • 优点
  • 1、抽离了数据量最大的消息实体，大大节省了内存资源
  • 2、磁盘资源易于拓展 ，便宜实用
  • 弊端
  • 1、磁盘读取操作，响应性能较差（从产品设计的角度出发，你维护的这套 IM 系统究竟是强 IM 还是弱 IM）

P2 消息消费模式

拉模式

选用消息拉模式的原因

  • （1）由于用户数量太多（观察者），服务器无法一一监控客户端的状态，因此消息模块的数据交互使用拉模式，可以节约服务器资源；
  • （2）当用户有未读消息时，由客户器主动发起请求的方式，可以及时刷新客户端状态。

ack 机制

  • 基于拉模式实现的数据拉取请求（第一次 fetch 接口）与数据拉取确认请求（第二次 fetch 接口）是成对出现的；
  • 客户端二次调用 fetch 接口，需要将上次消息消费的锚点告诉服务端，服务器进而删除已读消息。
  • 基于每一条消息编号 ACK

实现：客户端在接收到消息之后，发送 ACK 消息编号给服务端，告知已经收到该消息。服务端在收到 ACK 消息编号的时候，标记该消息已经发送成功；

弊端：这种方案，因为客户端逐条 ACK 消息编号，所以会导致客户端和服务端交互次数过多。当然，客户端可以异步批量 ACK 多条消息，从而减少次数。

  • 基于滑动窗口 ACK

实现：

（1）客户端在接收到消息编号之后，和本地的消息编号进行比对。

  • 如果比本地的小，说明该消息已经收到，忽略不处理；
  • 如果比本地的大，使用本地的消息编号，向服务端拉取大于本地的消息编号的消息列表，即增量消息列表。
  • 拉取完成后，更新消息列表中最大的消息编号为新的本地的消息编号；

（2）服务端在收到 ack 消息时，进行批量标记已读或者删除

好处：这种方式，在业务被称为推拉结合的方案，在分布式消息队列、配置中心、注册中心实现实时的数据同步，经常被采用。

ack机制的必要性

  • 第一次获取消息完成之后，如果没有 ack 机制，流程是：

（1）服务器删除已读消息数据

（2）服务端把数据包响应给客户端

（3）如果由于网络延迟，导致客户端长时间取不到数据，这时客户端会断开该次 HTTP 请求，进而忽略这次响应数据的处理，最终导致消息数据被删除而后续无法恢复。

  • 有了 ack 机制，哪怕第一次获取消息失败，客户端还是可以继续请求消息数据，因为在 ack 确认之前，消息数据都不会删除掉。

流程图

P3 消息实时通信

spring-messaging 模块

Spring 框架 4.0 引入了一个新模块 —— spring-messaging 模块，它包含了很多来自于 Spring Integration 项目中的概念抽象，比如：Message 消息、消息频道 MessageChannel、消息句柄 MessageHandler 等。

此模块还包括了一套注释，可以把消息映射到方法上，与 Spring MVC 基于注释的编程模型相似。

Spring 框架提供了对使用 STOMP 子协议的支持。STOMP，Streaming Text Orientated Message Protocol，流文本定向消息协议。

STOMP 是一个简单的消息传递协议， 是一种为 MOM（Message Oriented Middleware，面向消息的中间件）设计的简单文本协议。

  • maven 依赖
代码语言：javascript复制
<dependency>
<groupId>org.springframework</groupId>
<artifactId>spring-messaging</artifactId>
</dependency>
  • 数据通信协议 STOMP

STOMP 协议与 HTTP 协议很相似，它基于 TCP 协议，使用了以下命令：

  • CONNECT
  • SEND
  • SUBSCRIBE
  • UNSUBSCRIBE
  • BEGIN
  • COMMIT
  • ABORT
  • ACK
  • NACK
  • DISCONNECT

STOMP 的客户端和服务器之间的通信是通过“帧”（Frame）实现的，每个帧由多“行”（Line）组成：通过 MESSAGE 帧、RECEIPT 帧或 ERROR 帧实现，它们的格式相似。

代码语言：javascript复制
第一行包含了命令，然后紧跟键值对形式的 Header 内容。
第二行必须是空行。
第三行开始就是 Body 内容，末尾都以空字符结尾。

长连接机制

连接建立

  • nginx 配置：设置 http 可以升级为 websocket 协议；
  • http 三次握手：客户端 &服务端双方确保发送和接受能力正常；
  • 升级 websocket：客户端以登录令牌“token”标识用户连接；
  • 服务端内存将“token”与长连接会话“Session”缓存到一个 ConcurrentHashMap，这样便能以 O(n)的效率检索到指定用户的长连接并发送通知包；

双工通信协议

  • 客户端保活机制：客户端发送“ping”包，服务端接受到，返回“pong”包，这是最基础的保活手段；（保活机制放在客户端，减轻服务端压力，同时节省服务端资源）
  • 新消息通知协议：前后端约定使用固定的通知协议做为通知信号（eg，“msg.route.new”），确保数据量小，宽带消耗低；

服务端剔除无效连接

  • 使用定时调度任务：轮训缓存好的 ConcurrentHashMap，检索每个长连接会话是否超时，超时则关闭以节省资源；

P4 微服务设计

微服务划分

微服务主要拆分为三个：用户 &消息业务 &消息连接管理。

  • 参考架构图
  • IM 消息系统包括了三个微服务：用户微服务、消息连接管理微服务和消息业务微服务，他们分工合作如下：
  • 用户微服务
  • （1）用户设备的登录 &登出：设备号存库，连接状态更新，其他登录端用户踢出等；
  • 消息连接管理微服务
  • （1）状态保存：保存用户设备长连接对象
  • （2）剔除无效连接：轮训已有长连接对象状态，超时删除对象
  • （3）接受客户端的心跳包：刷新长连接对象的状态
  • 消息业务微服务
  • （1）消息存储：参考 5.1-消息存储模型，进行私聊/群聊的消息存储策略
  • （2）消息消费：参考 5.2-消息消费模式，进行消息获取响应与 ack 确认删除
  • （3）消息路由：用户在线时，路由消息通知包到“消息连接管理微服务”，以通知用户客户端来取消息；

消息路由

相信看完“ 5.4.1 微服务划分”，了解到微服务之间也有通信手段：消息业务服 -> 消息连接管理服，两者之间可以通过 websocket 实现主动或被动的双工通信，以支持实时消息的路由通知。

P5 离线消息方案

离线推送方案上，我们考虑了两种方案：

1）自研后台离线 PUSH 系统

2）对接第三方手机厂商 PUSH 系统

自研后台离线 PUSH 系统

原理

在应用级别，客户端与后台离线 PUSH 系统保持长连接，当用户状态被检测为离线时，通过这个长连接告知客户端“有新消息”，进而唤醒手机弹窗标题。

弊端

  • 随着安卓和苹果系统的限制越来越严格，一般客户端的活动周期被限制的死死的，一旦客户端进程被挪到后台就立马被 kill 掉了，导致客户端保活特别难做好。

第三方厂商 PUSH 系统

原理

  • 在系统级别，每个硬件系统都会与对应的手机厂商保持长连接，当用户状态被检测为离线时，后台将推送报文通过 HTTP 请求，告知第三方手机厂商服务器，进而通过系统唤醒 app 的弹窗标题。

弊端

  • （1）作为应用端，消息是否确切送达给用户侧，是未知的；推送的稳定性也取决于第三方手机厂商的服务稳定性；
  • （2）额外进行 sdk 的对接工作，增加了工作量；
  • （3）第三方厂商随时可能升级 sdk 版本，导致没有升级 sdk 的服务器出现推送失败的情况，给 Sass 系统部署带来困难；
  • （4）推送证书配置也要考虑到维护成本

推送厂商分类

  • ios 推送
  • android 推送（华为/小米/OPPO/魅族/个推等）

P6 总结

1. 安全性

  • 传输安全性使用 https 访问；使用私有协议，不容易解析；
  • 内容安全性端到端加密，中间任何环节都不能解密；即发送和接收端交换互相的密钥来解密，服务器端解密不了；服务器端不存储消息；

2. 一致性

  • 消息一致性：保证消息不乱序；
  • 消息唯一 id：有多种方式，如由统一的 MySQL/Redis 统一生成、或由 snowflake 算法生成等，此时若要支持高并发，则要考虑该生成器对高并发的支持情况；

3. 可靠性

  • 上述方案用到了 ack 机制，同时消息创建过程尽量确保操作原子性，并且封装为一个事务（虽然分开 mysql&redis 存储让分布式事务变得较高难度）。

4. 实时性

  • 通用方案都是采用 websocket，但是某些低版本的浏览器可能不支持 websocket，所以实际开发时，要兼容前端所能提供的能力进行方案设计。

实现方案

工作日常

在前公司的工作中，有两年多的时间都在维护迭代公司的 IM 消息系统：

  • 业务闭环（消息是如何写入存储，消息是如何消费掉，在线消息是如何实现，离线消息是如何实现，群聊/私聊有何不一样，多端消息如何实现）
  • 解 Bug 填坑（在线消息收不到，第三方推送证书如何配置）
  • 代码优化（单体架构拆分微服务）
  • 存储优化（1.0 版本的 redis 存储到 2.0 版本的 redis mysql）
  • 性能优化（业务数据未读提醒的接口性能优化）

可优化点

  • 用户量巨大的系统的高可用方案之一，是部署多部连接管理服务器，以支撑更多的用户连接
  • 用户量巨大的系统的高可用方案之二，是对单部连接管理服务，使用 Netty 进行框架层优化，让一个服务器支撑更多的用户连接
  • 消息量巨大的系统，可以考虑对消息存储进行优化
  • 不同的地区会存在业务量差异，比如在某些经济发达的省份，IM 系统面临的压力会比较大，一些欠发达省份，服务压力会低一点，所以这块可以考虑数据的冷热部署

对比方案

跟大厂的IM系统设计方案的比较，在“分层架构”、“群聊技术方案”、“离线方案”这三个方面，我们选取了：网易云IM架构、网易云信云视频系统和微信聊天系统进行比较。

由于篇幅所限，这部分内容可以参考原文的第七节：https://xie.infoq.cn/article/4061081a5ce66137a8c021994。

成果展示

由于篇幅所限，这部分内容可以参考原文的第八节：https://xie.infoq.cn/article/4061081a5ce66137a8c021994。

参考文献

  • 《网易IM云千万级并发消息处理能力的架构设计与实践》
  • 《从新手到专家：如何设计一套亿级消息量的分布式IM系统》
  • 《一套亿级用户的IM架构技术干货(上篇)：整体架构、服务拆分》
  • 《一套亿级用户的IM架构技术干货(下篇)：可靠性、有序性、弱网优化等》
  • 《IM群聊消息的已读回执功能该怎么实现？》
  • 《IM群聊消息究竟是存1份(即扩散读)还是存多份(即扩散写)？》

总结

两年前从架构师手上接过来的 IM 消息系统模块，让我逐步培养了架构思维，见贤思齐，感谢恩师。

多说一句，在日常开发里，我们同学们也要学会参考业界的解决方案，思考如何维护整套系统的高可用，思考如何解决大流量背景下的存储优化等关键问题。

以上抛砖引玉，欢迎留言讨论，一起进步~~

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