IM即时通讯开发架构技术：整体架构服务拆分

Posted 2022-11-23 wecloud1314

经历过稍有些规模的IM系统开发的同行们都有体会，要想实现大规模并发IM（比如亿级用户和数十亿日消息量这样的规模），在架构设计上需要一些额外的考虑，尤其是要解决用户高并发、服务高可用，架构和实现细节上都需要不短时间的打磨。

 

具体解释就是：

    1）高可靠：确保不丢消息；
    2）高可用：任意机房或者服务器挂掉，不影响服务；
    3）实时性：不管用户在哪里，在线用户消息在1秒内达到（我们实际是75%消息可以做到120ms）；
    4）有序性：确保用户消息的有序性，不会出现发送和接受的乱序。

从整体架构上来说，亿级用户量的IM架构整体上偏复杂。

传统开源的IM服务喜欢把所有服务做到1-2个服务里（Connector+Service模型)，这样带来的问题比较严重。

传统开源的IM的问题主要体现在：

    1）服务代码复杂，难以持续开发和运维；
    2）单一业务逻辑出问题，可能会影响到其它逻辑，导致服务的全面不可用。

因此，我在做架构设计的时候尽量追求微服务化。即把整体架构进行分拆为子系统，然后子系统内按照业务逻辑分拆为微服务。

4个子系统的职责是：

    1）IM业务系统：服务IM相关的业务逻辑（比如好友关系、群关系、用户信息等）；
    2）信令系统：负责用户登录，用户在线状态的维护，以及在线用户的下行推送；
    3）推送系统：负责消息的在线推送和离线推送；
    4）存储系统：负责消息和文件的存储和查询；

其中：信令系统和推送系统是基础设施，不只是可以为IM业务服务，也可以承载其它类似的业务逻辑（比如客服系统）。即时通讯聊天软件app开发可以加蔚可云的v：weikeyun24咨询

 

在部署层面：采用存储3核心机房，信令和推送节点按需部署的方式（国内业务推荐8-10个点）。实际上我们只做了了北京3个机房，上海1个机房和香港一个机房的部署，就基本上满足了大陆+香港的业务需求。

一说到IM，很多人脑海里跳出的第一个关键就是“即时通信”，技术上理所当然的联想到了socket，也就是大家成天嘴上说的：“长连接”。换句话说，很多对IM不了解或了解的不多的人，认为IM里的所有数据交互、业务往来都是通过“长连接”来实现的，这样话，对于本文章中拆分出的“IM业务系统”就有点不理解了。

实际上，早期的IM（比如20年前的QQ、MSN、ICQ），确实所有数据基本都是通过“长连接”（也就是程序员所说的“socket”）实现。

但如今，移动端为主端的IM时代，IM系统再也不是一个条“长连接”走天下。

现在，一个典型的IM系统数据往来通常拆分成两种服务：

    1）socket长连接服务（也就是本文中的“推送服务”）；
    2）http短连接服务（就是最常用的http rest接口那些，也就是本文中的“IM业务系统”）。

通俗一点，也也就现在的IM系统，通常都是长、短连接配合一起实现的。

对于socket长连接服务就没什么好说，就是大家最常理解的那样。

IM业务系统详细来说，就是专注处理IM相关的业务逻辑，比如：

    1）维护用户数据：用户基本信息等；
    2）维护好友关系：好友请求、好友列表、好友信息等；
    3）维护群组信息：群创建、解散、成员管理等；
    4）提供数据：离线拉取、历史记录同步；
    5）其它逻辑：比如通过存储和推送系统，存储消息和发送通知；

按照微服务的原则，IM业务系统也被分拆为多个服务，比如：

    1）GInfo服务：群组信息维护；
    2）IM服务：处理1V1消息；
    3）GIM服务：处理群组消息。

信令系统主要职责是3部分：

1）维护用户在线状态：

因为用户规模庞大，必然是多个集群，每个集群多台服务器为用户提供服务。

考虑到服务器运维的复杂性，我们要假定任何一个集群，任何一个服务器都可能会挂掉，而且在这种情况下要能够继续为用户提供服务。

在这种情况下，如果用户A给用户B发消息，我们需要知道用户B在哪个服务器上，才能把消息正确推送给用户B。用户在哪个信令服务，这个信息就是在线状态数据。

2）下行消息推送：

跟上一个职责有关，用户在线的时候，如果有其它用户给他发消息，那就最好不要走离线推送，而是走在线推送。

在线推送的最后一个环节，是把用户消息推送给用户设备，因为就需要知道用户登录到哪个服务器上。

3）业务分发：

信令服务不只可以处理IM请求，也可以处理其它类型的业务请求。为了处理不同的业务，就需要有分发能力。

具体做法是通过一个SVID（service id）来实现，不同的业务携带不同的SVID，信令服务就知道如何分发了。

用户通过登录服务把数据（比如IM消息）发送到信令系统，信令系统根据SVID转发给IM系统。不管后台有多少个业务，用户只需要一条链接到信令。

信令系统为了实现以上这3个职责，同时要确保我们服务可平行扩展的能力和稳定性，在实际的技术实现上，我们实际上把信令服务分拆为3个服务模块。

Login服务主要负责维护用户长链接：

    1）每个用户一条链接到Login服务，并按时间发心跳包给Login服务；
    2）服务定时检查用户链接状态和心跳包，比如发现2个心跳周期都没收到心跳，就认为用户掉线了（有假在线问题，有兴趣同学可回贴讨论）。

Login服务收到用户登录请求以后，验证uid/cookie，如果成功就把这个用户的登录信息发送给online。

此过程主要记录的信息包含：

    1）uid（用户id）；
    2）Login服务器IP/Port；
    3）Route服务器的IP/Port。

如果用户发送IM消息，先发送到Login，Login转发给Route，Route根据服务的类型（SVID），发现是IM协议就发送给后端的IM服务。

Login对并发要求比较高，一般要支持TCP+UDP+Websocket几种方式，单服务可以做到10-250万之间。从服务稳定性角度触发，建议是控制VM的CPU/内存，单服务器以20-50万为合适。

Login服务器本身没有状态，任何一个Login服务断掉，用户端检测到以后重连另一个Login服务器就可以了，对整体服务可靠性基本没有影响。

Online服务主要负责维护用户的在线信息：

    1）如果用户掉线，Online服务里信息就是空；
    2）如果用户在线，Online就能找到用户登录在哪个集群，哪个Login服务器上。

Online业务相对简单：多个Login服务器会连接到Online，定期同步用户登录和离线信息。

Online主要职责是：把用户状态信息存储在Redis集群里。因此也是无状态的，任何一个Online服务挂掉，不影响整体服务能力。

如果集群规模不大，用户规模也不大，Online服务也可以收到Login服务里去。

如果规模比较大，建议分拆出来，一方面简化Login的逻辑复杂度，同时避免写Redis的慢操作放在Login服务里。因为Login要同时处理50万以上的并发链接，不适合在循环里嵌入慢操作。

Route服务的设计核心，是作为信令系统跟其它子系统的交互层。Route下接Login服务，可以接受用户业务信息（IM），也可以往用户推送下行消息。

多个后端业务系统可以接入到Route，按照服务类型（SVID, service id）注册。比如IM服务可以接入到Route, 注册SVID_IM。这样Login接收到SVID=SVID_IM的消息，转发给Route，Route就可以根据SVID转发给IM相关的服务。

Route简单的根据SVID做转发，不处理具体的业务逻辑，因此也是无状态的。一个信令集群可以有多个Route服务，任何服务挂了不影响整体服务能力。

推送系统的核心任务：是接收到给用户发送下行消息的请求以后，去信令服务查询用户是否在线，如果在线走信令推送，如果不在线走离线推送（如ios的APNS、华为推送、小米推送等）。

因为推送服务可能出现大规模并发蜂拥，比如大群激烈讨论的时候，会触发亿级的TPS。因此推送服务用Kafka做了削峰。

具体就是：

    1）PushProxy：接受用户的推送请求，写入Kafka；
    2）Kafka：缓存推送服务；
    3）PushServer：从Kafka获取推送请求，判断用户是否在线；
    4）PushWorker：真正推送给信令或者APNS，华为推送等。

这里同样，除了Kafka以外每个服务都是无状态的，因为也可以实现平行扩展和容错，任何服务挂掉不影响整体服务可用性。