【图文直播全文记录】关于im的一切 （上）

2015-05-17

此文根据【QCON高可用架构群】分享内容，由群内【编辑组】志愿整理，转发请注明出处。

沈剑，目前任58同城技术委员会主席，高级架构师，优秀讲师。负责过百度hi，58帮帮等im系统的架构设计。同时，欢迎大家关注沈剑讲师的微信公众号“架构师之路”。

一、什么是IM

1、IM概述

IM 是“instant messaging”的简称，翻译成即时通讯。说到即时通讯,我们可能最先想到的是一款叫 ICQ的聊天软件 ，后来者还有微信／skype／msn／momo等 。IM包含即时和通讯是两个关键词。

所以“即时通讯”，从字面上看，就是快速，按照一定协议交换信息。 下图是一个ICQ的截图：


2、IM系统特性

im系统相对其他系统而言有自己的几个特点：

以股市变化曲线为例，客户端不主动发送请求，曲线会随时间自动变化 ：


消息可达性即消息的可靠投递 ，有一个著名的定理：SMC定理，Single-Message Communication,Published in : Communications, IEEE Transactions on (Volume:24 , Issue: 2 ) ，很短的一个论文，文章的结论是，任何端到端的消息传递协议 ，消息既不丢失，同时也不重复是不可能的。后续会分享，系统层面的重复，可以换取业务层面的不丢失和不重复。


大部分人可能了解XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol ）协议 ，即可扩展消息和Presence协议 ，这个Presence直接翻译就是“出席“，何为出席？ 大家都到群内签到了，叫出席 ，没来听讲座叫缺席 ，在IM中出席缺席表示状态 。登录在线叫出席，没登录叫缺席 。
几乎所有的IM请求都和状态相关（比如：在线转发，不在线存离线） ，所以状态的一致性尤为重要 。

举个例子：

假设用户A有100个好友，用户A加入了10个群，每个群有100个人。用户A在登录的一瞬间，状态由“不在线”变为了“在线”，他的状态的变更需要通知要通知1100个人，包括100个好友和1000个群友，这个扩散系数是非常庞大，

如何做这1100个人的状态推送？ 常见的做法和Feed，微博类似 ，你的100个好友（实时性要求很高），采用推的模式 ，你的1000个群友采用拉的模式（实时性要求不高） 。当然，这里还只是说状态很很复杂，还没涉及到状态一致性问题。

二、协议设计

网络协议是由三个要素组成，语义、语法、时序。语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。 本文主要讲解重点语法的设计。

IM的协议分为3层，如下图：

1、应用层

常用的IM应用层协议有3种 ：

1.1、文本协议

文本协议是“贴近人类书面语言”的协议，典型例子是MSN ,另外HTTP协议也是文本协议，如下图所示：

文本协议有几个特点：

1.2、 二进制协议

二进制协议最典型的是IP协议，如下图所示：

二进制协议一般定长包头和可扩展变长包体 ，每个字段固定了含义 ，例如IP协议的前4个bit表示协议版本号 （Version）。IM中，QQ使用的时二进制协议。

二进制协议有几个特点：

1.3、流式XML

Xmpp协议就是使用流式XML，像Gtalk，校内通都是基于Xmpp的。

举一个罗密欧给朱丽叶发消息的例子：

< message to='romeo@example.net' from='juliet@example.com' type='chat' xml:lang='en' >
<body>Wherefore art thou, Romeo?</body>
</message>

Xmpp用 romeo@example.net 来标示一个账号，称为JID 。JID由两个部分组成 ，前半部分是该域中的账号体系 ，后半部分是域标识（编者注：JID还包含一个Resource部分）。Xmpp协议可以实现跨域的互通。例如Gtalk和校内通用户聊天。只要服务端实现了s2s服务（server to server） ，不过现在的IM基本没有互通需求 ，所以 这个服务基本没有人实现。

Xmpp协议有几个特点：

我个人强烈不建议使用Xmpp，特别是无线端IM，这个是google上个世纪的产物了，如果要用，一定要自己做压缩 ，减少网络流量。

实际例子

下面来看一个IM协议的实际例子 ，一般常见的做法是：定长二进制包头，可扩展变长包体可以使用用文本、XML等。 百度Hi 的IM包体用的是XML ，58同城的IM包体用的是protobuffer，包头负责传输和解析效率，包体与业务无关负责保证扩展性。

这是一个简单例子，我们来看一下包头和包体 。

定长包头（16个字节）

变长包体

可选择 Xml、protobuffer、mcpack等,某些公司使用protobuffer，作者也强烈推荐，主要有几个原因：

下面贴一个protobuffer写的用户登录协议的示例：

2、安全层

IM协议，消息的保密性非常重要 ，谁都不希望自己聊天内容被看到

1、HTTPS

稍微复杂，代价有点高 。

2、自行加解密

密钥管理方式有多种

1、固定密钥
服务端和客户端约定好一个密钥，同时约定好一个加密算法（eg：AES ），每次客户端IM在发送前，就用约定好的算法，以及约定好的密钥加密 再传输 ，服务端收到报文后，用约定好的算法，约定好的密钥再解密 。这种方式，密钥和算法 对程序员都是透明的 。有些公司cookie就是这么使用的。

2、一人一密钥
简单说来就是每个人的密钥是固定的，但是每个人之间又不同，其实就是在固定密钥的算法中包含用户的某一特殊属性，比如用户uid、手机号等。

据传，QQ是这么使用这种方式（未核实）

3、动态密钥

大家了解ssl的过程么，动态密钥 一Session一密钥的安全性更高，每次传输交互前协商密钥， 客户端第一个报文：服务端，请告诉我这次通话的密钥 ，服务器就随机生成一个，返回给客户端 然后这次会话用这个密钥来通信 ，这样可以简单的做到动态密钥，但是一旦攻击者截取报文，就能知道你的动态密钥。

SSL的用法，是2次生成非对称加密密钥，1次生成对称加密密钥 ，具体详情这里不展开，有兴趣的可以深入研究一下。

3、传输层

传输层：TCP／UDP

现在的IM传输层基本都是使用TCP。有了epoll／kqueue等技术后 ，单机多连接就不是瓶颈了，单机几十万链接没什么问题。58同城现在线上单机连接好像是10w？（可能单机性能测试可以到百万，线上一般跑到几十万）

关于QQ是使用UDP问题（作者观点）

10多年前，一台服务器支撑不了1W个TCP连接 ，腾讯的同时在线量高，没办法，只有用UDP了 ，但UDP又不可靠，腾讯使用UDP实现了TCP的超时／重传／确认等机制

三、WEB聊天室

1、需求

下面是一个Web聊天室的截图

Web聊天室需求主要有一下几点： 1）用户可以设置自己的名字 2）进入聊天室后，可以看到所有其他人的名字 3）可以看到所有人的聊天 4）可以发言给所有人

上面是Web聊天室的一些简单业务（像群吧？） ，设置名字／拉取其他人的信息 都是简单的请求响应式的需求这里不展开，主要重点讲怎么看历史聊天消息，怎么发消息给别人 。

2、系统架构

Web站点三层架构大家都很熟悉，大致是这个样子

LAMP是个典型解决方案 ,更典型的是这个样子

对于聊天室的简单需求，一个存用户信息，一个存消息两个表就可以了，下面是一个简化了的示例:

user( name vchar(16) unique ); message( time timestamp, name vchar(16), msg vchar(140) );

有人进入，就往user里插入 ,有人退出，就从user里删除 ,有人发消息，就往message里插入 ,有人进入，往message里拉取，就能查询历史信息。

3、技术核心点

Web聊天室的核心店在于如何把发送的消息通知User表里的所有人？消息实时性，主要有三种方式，websocket、flashsocket、http轮询，本文只讲http轮询。

1、轮询

什么是轮询？
举个例子，在火车上想上洗手间，挤到洗手间旁，却发现洗手间有人，于是你只能回座位继续等。过了N分钟，又朝洗手间的方向挤过去，却发现洗手间还是有人，又只能回坐等。这么一而再，再而三的每隔N分钟去洗手间查看洗手间是否有蹲位，这就是轮询。

程序代码：while(1){sleep 500ms; get msg;}

大部分人最容易想到的解决方案就是轮询（poll） 。十几年前，四通利方／碧海银沙就是用的轮询，轮询拉取消息，每隔几秒往message表里，拉取最新的聊天室消息 ，这样做能简单实现一个聊天室。

但轮询问题也显而易见 ，每隔N分钟，轮询调用 “获取消息”接口，有可能出现消息的延时，某一时刻刚刚拉取完消息，突然又产生了一条新消息，这条消息就必须等到N分钟之后，再次发起“获取消息”轮询时，才有机会获取到。 可以降低时间间隔来降低延时，但绝大部分的轮询调用，都没有消息返回，造成服务端极大的资源浪费

2、消息连接

Web聊天室通过“http消息连接”来保证消息的绝对实时性，何谓消息连接？

用户和服务器建立一条http连接，专门用来传递Notify 。例如，手机上，web聊天室里，有一个B用户 专门有一条http消息连接，用来投递Notify（消息），如下图 。

消息连接如何保证 web聊天室消息的实时性呢？它具有以下几个特性：

1、没有消息到达的时候，这个http消息连接将被夯住，不返回，由于http是短连接，这个http消息连接最多被夯住90秒，就会被断开（这是浏览器或者webserver的行为）。

2、如果http消息连接被断开，立马再发起一个http消息连接

如上图，http消息连接90s超时了，服务器返回空了，web浏览器会立马再次发起一个新的消息连接 。目的是，保证一个用户一直有一条消息连接连着，可以接受消息

3、每次收到消息时，这个消息连接就能及时将消息带回浏览器页面，并且在返回后，会立马再发起一个http消息连接

如上图，某人发送了一条聊天室消息 ，这个消息要投递给user里的所有人，B是其中之一，此时会有一条消息连接在，消息连接就直接将消息带回 ，带会消息后，立马再发起消息连接 。

4、消息池

上面三大特性保证了：a）任何时间都有消息连接在 ，b）消息能在第一时间通过消息连接返回

但这里有个小概率事件，正在返回消息的时候（可以认为此时没有消息连接），瞬间又到达了一条消息怎么办，此时服务端要有一个类似于“消息池”的东西，将这个消息暂存起来 。消息连接到达后，从消息池中将消息取回，再通过消息连接返回。


看上图中的步骤1-7

1）消息要投递给聊天室中的所有人，B是其中之一 2）此时没有消息连接，msg放入消息池 3）消息连接来晚了 4）从消息池中获取消息 5）获取到消息了 6）返回消息给web浏览器里的B 7）新的消息连接发起

结论：

Web聊天室通过http长轮询可以保证消息的实时性。这种实时性的保证不是通过增加轮询频率来保证的，而是通过夯住http消息连接来保证的，在大部分时间没有实时消息的情况下，这个http消息连接对于webserver的请求压力是90秒1次，能够大大节省了web服务器资源。

这个消息连接的思想，是一个观察者模式 ，所有的聊天室用户是observer，聊天室是subject，observer订阅subject ，subject保存有所有observer的集合，当有消息发出，即subject发生改变时，通过http消息连接反向通知subject

这里重点讨论了 web聊天室 消息的实时性，聊天消息的可靠投递，暂时也先不展开了

即时，是相对时间而不是绝对时间 ，m的即时，消息投递在几百毫秒，1秒内投递完成，一般都可以接受（站点应用这个时间就接受不了解），这个时间对未来我讲im服务的网络模型，影响很大 。 im的所有业务逻辑，都是在这几百毫秒内完成的 。

4、IM典型业务场景

IM业务逻辑有一定的复杂度，举例IM中一个典型业务场景，用户A将用户B加入到分组G中，如下图：

这里包含多少业务逻辑呢 第一步，判断A是否是正常im用户
第二步，判断B是否是正常im用户
第三步，判断分组G是否存在
第四步，是否A和B已经是好友
第五步，用户A是否加黑了B
第六步，用户B是否加黑了A
第七步／用户A的加好友频率是否过快
第八步，加好友的验证文字是否合法。“我是xx，请加我为好友”就是这个文字的验证。
第九步，检查B的加好友策略 ，是“允许所有”还是“需要验证”还是“禁止所有”

都9步了，真正的加好友步骤却还没开始，这里的每一个步骤，都不是一个简单的本地cpu计算能完成的，都需要访问数据库或者后端服务 ，所以im的业务逻辑是很复杂的，做过的人懂。

上面有一个步骤，是检查加好友的验证短语的合法性 。IM系统中，所有能被别人看到的话，都要经过antispam验证 ，antispam一般有敏感词（政治，黄色）过滤，消息频率过滤，广告过滤 ，每一个步骤，都有很复杂的词库过滤，或者分析过滤（分析一句话是不是广告，非常复杂）

四、Q&A

Q1: xmpp中，在跨域通讯网络没有保证的情况下，xmpp如何保证跨域消息的可靠送达的。

A1:im消息的可达性，是通过超时重传确认保证的（未来会再次重点讲细节），跨域只是提供了一种不同域的通信机制

Q2:应用层协议设计中，为啥 version 会放在 magic_num 之前呢？ 为啥magic_num 不是第一个呢？ 是考虑不同版本的 magic_num 不一样？

A2:是的

Q3:我没懂magic_num的作用，这个是常量吗？另外，为啥不直接采用http，而要自定义协议？

A3:web上可以选择http作为应用层协议，直接tcp长连接搞的话协议得自己来

Q4:聊天室怎么保证消息的可靠性？

A4: 可靠性以后讲，或者可以看下刚才群内有同学发的那篇文章 webim如何保证消息的可靠投递

Q5:安全层加密， 是对应用层的：定长二进制包头 ＋ 可扩展变长包体 都做加密？

A5:包体和业务相关，要加密

Q6: 现在通信行业的IM（RCS等业务）基本都用SIP（单独或结合MSRP）来做，协议安全用TCP/TLS，WebRTC也用SIP，请问@58沈剑 不用这些公共协议而用私有协议的主要出发点除了性能，还有什么？

A6:自己做更可控，结合自己业务做优化。另，im行业准标准协议是xmpp。

Q7:消息推送的话，用长连接保持的话，现在也比较通用了吧？

A7:能用tcp就用tcp，有些场景，例如web，选择http消息连接是被逼的

Q8:实时推送，http轮询和websocket如何选择呢？

A8:websocket有兼容性问题，很多浏览器不支持，据我了解，大规模高在线的im，好像web端还木有用websocket搞的

Q9:手机端的聊天室如何处理用户频繁断线的问题？如何在断线后获取服务器端聊天历史并与本地聊天历史合并？

A9:web聊天室，消息连接不上，消息就放在消息池里，上来再给他，一定时间上不来，就丢掉。消息id可以去重。

Q10:能不能介绍一下注册/IM/Subscribe/Presence等服务器结合起来的部署架构？

A10:架构后续课程分享

Q11:websocket有什么弊端?目前单机最高业务承载多少?

A11:同A8回答。

Q12:移动端im的注意事项

A12:后续专门讲移动优化

Q13:聊天室达到10万级别的时候，在效率推送上是怎么考虑的？

A13:聊天室和群一样，消息扩散系数很影响性能，一般群不能到这个级别，这个级别的群对服务器影响很大（微信群上限是多少？qq群上限是多少？）

Q14:我想问下，刚说的消息池是全局的还是针对每个用户单独的？

A14:消息池本质是个map，key是uid

Q15:为什么不用BOSH(Bidirectional-streams Over Synchronous HTTP)来描述刚才web HTTP机制？有什么细微区别吗？

A15:我猜bosh的本质也是消息连接，bosh／comet还是什么，叫法不一样，实现方式应该是类似的

Q16:另外你说的移动IM不建议XMPP协议，是单指XML格式本身的缺陷，有效数据太少，数据解析慢，仅仅是这个原因吗？解析这方面有做过具体的性能测试吗？另外如果是有效数据太少，是否可以稍微扩展就可以大幅度减少无效数据问题。还是有其它方面原因，比如XMPP协议本身交互协商次数太多的问题？

A16:xmpp解析慢，有效传输率低（无线端的表现就是耗流量），你们猜用xmpp发一个登录包多大？

Q17:websocket性能会比long-polling好多少呢？

A17:tcp长连接 和 http短连接 的差异

Q18:聊天消息中含html、css、js相关代码是如何处理的？

A18:这是一个富文本消息的好问题，服务器不管消息的内容，只进行投递，富文本消息的内容，是客户端需要理解的

Q19:im怎么保证时序性？当服务器接收msgpack时处理不过来，客户端就会阻塞发送消息。但没阻塞接收的消息。这样发送与接着就不同步了

A19:一言难尽，简单说，单对单的消息，用uid＋msgid进行时序保证；群消息，用gid＋msgid进行时序保证。

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