IM序列8：基于集群的移动端IM接入层负载均衡方案分享

Posted 2021-04-15 编码前线

1、前言

要开发一个真正能用于生产环境的移动端IM系统，难度还是比较大的，因为移动端IM系统是多种技术手段的综合应用：包括移动端网络编程、通信安全、高性能互联网架构等等，尤其在当下IM技术相对封闭、实践资料并不容易找到的情况下。

本文将以基于TCP数据传输协议的移动端IM为例，通过循序渐进地方式，分享如何构建一个基于分布式集群的移动端IM接入层的设计和实现。

2、IM开发干货系列文章

《IM消息送达保证机制实现(一)：保证在线实时消息的可靠投递》

《IM消息送达保证机制实现(二)：保证离线消息的可靠投递》

《如何保证IM实时消息的“时序性”与“一致性”？》

《IM单聊和群聊中的在线状态同步应该用“推”还是“拉”？》

《IM群聊消息如此复杂，如何保证不丢不重？》

《一种android端IM智能心跳算法的设计与实现探讨（含样例代码）》

《移动端IM登录时拉取数据如何作到省流量？》

《通俗易懂：基于集群的移动端IM接入层负载均衡方案分享》（本文）

《浅谈移动端IM的多点登陆和消息漫游原理》

3、Web短连接与基于TCP长连接的负载均衡系统各自的特点

互联网架构中，web-server接入一般使用nginx来做反向代理，实施负载均衡。整个架构分三层：

上游调用层：一般是browser或者APP；

中间反向代理层：nginx；

下游真实接入集群：web-server，常见web-server的有tomcat，apache。

整个访问过程为：

browser向daojia.com发起请求；

DNS服务器将daojia.com解析为外网IP(1.2.3.4)；

browser通过外网IP(1.2.3.4)访问nginx；

nginx实施负载均衡策略，常见策略有轮询，随机，IP-hash等；

nginx将请求转发给内网IP(192.168.0.1)的web-server。

由于http短连接，以及web应用无状态的特性，理论上任何一个http请求落在任意一台web-server都应该得到正常处理（如果必须落在一台，说明架构不合理，不能水平扩展）。

但与传统的Web系统不同的是：基于tcp长连接的IM系统中，每条长连接通路都是有状态的，客户端和服务端一旦建立连接，一个client发起的请求必须落在同一台tcp-im-server上。那么此时该如何做负载均衡，如何保证水平扩展呢？我们继续往下看。

4、单机场景下的tcp-im-server

单机tcp-im-server显然是很容易保证请求一致性的：

client向tcp.daojia.com发起tcp请求；

DNS服务器将tcp.daojia.com解析为外网IP(1.2.3.4)；

client通过外网IP(1.2.3.4)向tcp-im-server发起请求。

方案的缺点呢？那就是无法保证高可用。

5、一个典型的基于集群的tcp-im-server方案及其缺点

通过搭建tcp-im-server集群来保证高可用，客户端来实现负载均衡：

client内配置有tcp1/tcp2/tcp3.mydomain.com三个tcp-im-server的外网IP；

客户端通过“随机”的方式选择tcp-im-server，假设选择到的是tcp1.mydomain.com；

通过DNS解析tcp1.mydomain.com；

通过外网IP连接真实的tcp-im-server。

那如何保证高可用呢？

如果client发现某个tcp-im-server连接不上，则选择另一个。

潜在的缺点？

每次连接前，需要多实施一次DNS访问：

难以预防DNS劫持；

多一次DNS访问意味着更长的连接时间，这个不足在手机端更为明显。

如何解决DNS的问题？

直接将IP配置在客户端，可以解决上述两个问题，很多公司也就是这么做的（俗称“IP直通车”）。

“IP直通车”有什么新问题？

将IP写死在客户端，在客户端实施负载均衡，扩展性很差：

如果原有IP发生变化，客户端得不到实时通知；

如果新增IP，即tcp-sever扩容，客户端也得不到实时通知；

如果负载均衡策略变化，需要升级客户端。

6、优化1：把负载均衡策略放到服务端做

只有将复杂的策略下沉到服务端，才能根本上解决扩展性的问题。

增加一个http接口，将客户端的“IP配置”与“均衡策略”放到服务端是一个不错的方案：

client每次访问tcp-im-server前，先调用一个新增的get-tcp-ip接口，对于client而言，这个http接口只返回一个tcp-im-server的IP；

这个http接口，实现的是原client的IP均衡策略；

拿到tcp-im-server的IP后，和原来一样向tcp-im-server发起TCP长连接。

这样的话，扩展性问题就解决了：

如果原有IP发生变化，只需要修改get-tcp-ip接口的配置；

如果新增IP，也是修改get-tcp-ip接口的配置；

如果负载均衡策略变化，需要升级客户端。

然而，新的问题又产生了，如果所有IP放在客户端，当有一个IP挂掉的时候，client可以再换一个IP连接，保证可用性，而get-tcp-ip接口只是维护静态的tcp-im-server集群IP，对于这些IP对应的tcp-im-server是否可用，是完全不知情的，怎么办呢？

7、优化2：改为由tcp-im-servert主动上报状态

get-tcp-ip接口怎么知道tcp-im-server集群中各台服务器是否可用呢，tcp-im-server主动上报是一个潜在方案，如果某一个tcp-im-server挂了，则会终止上报，对于停止上报状态的tcp-im-server，get-tcp-ip接口，将不返回给client相应的tcp-im-server的外网IP。

该设计的存在的问题？

诚然，状态上报解决了tcp-im-server高可用的问题，但这个设计犯了一个“反向依赖”的耦合小错误：使得tcp-im-server要依赖于一个与本身业务无关的web-server。

8、优化3：改为主动拉取tcp-im-server的状态

 

更优的方案是：web-server通过“拉”的方式获取各个tcp-im-server的状态，而不是tcp-im-server通过“推”的方式上报自己的状态。

这样的话，每个tcp-im-server都独立与解耦，只需专注于资深的tcp业务功能即可。

高可用、负载均衡、扩展性等任务由get-tcp-ip的web-server专注来执行。

多说一句，将负载均衡实现在服务端，还有一个好处，可以实现异构tcp-im-server的负载均衡，以及过载保护：

静态实施：web-server下的多个tcp-im-server的IP可以配置负载权重，根据tcp-im-server的机器配置分配负载（nginx也有类似的功能）；

动态实施：web-server可以根据“拉”回来的tcp-im-server的状态，动态分配负载，并在tcp-im-server性能极具下降时实施过载保护。

9、本文小结

web-server如何实施负载均衡？

利用nginx反向代理来轮询、随机、ip-hash。

tcp-im-server怎么快速保证请求一致性？

单机。

如何保证高可用？

客户配置多个tcp-im-server的域名。

如何防止DNS劫持，以及加速？

IP直通车，客户端配置多个tcp-im-server的IP。

如何保证扩展性？

服务端提供get-tcp-ip接口，向client屏屏蔽负载均衡策略，并实施便捷扩容。

如何保证高可用？

tcp-im-server“推”状态给get-tcp-ip接口，或者 get-tcp-ip接口“拉”tcp-im-server状态。