即时通讯架构之路

前言

即时通信是指能够实时发送和接收互联网消息等的业务通信系统，允许两人或多人使用网络实时的传递文字消息、文件、语音与视频交流，其主要的功能核心是收发消息。即时通信发展至今，已是非常重要的互联网应用形态之一，尤其移动互联网时代，它正以无与论比的优势降低了沟通成本和交流门槛，对各种应用形态产生了深远影响。

做为即时通信开发者或即将成为即时通信开发者的技术人员，即时通信的价值和重要性不言自明。但从技术实现来说，即时通信系统的开发（尤其是移动端即时通信）还是存在许多技术难点和坑点的。也正因如此，优质的即时通信开发资料、实践成果，对于没有太多技术储备的新手来说，尤其难以获得。

本文将以新手的视角引导你阅读相关文章，便于你从零开发一个即时通信做好方方面面的知识准备：包括但不限于网络编程基础、通信协议的选型、即时通信的架构设计等等。文笔有限，如有不妥之处还请批评指正，希望对你有用。

即时通讯架构

架构图

从上边的架构图中分为4层，分别为网络层，连接管理层，数据层，业务层。其实4层可以整理成3层，将连接层和网络层进行合并。为什么要分这么多层呢？其实分层是为了系统更好的开发和维护更加清晰方便，例如要换socket网络框架，我们可以避免修改大量的修改业务层和数据层，可以避免大量代码和业务交叉，形成高内聚低耦合。

客户端与服务端是通过TCP/UDP进行网络通信，具体即时通讯流程逻辑如下，看图就明白了。


网络层

七层协议

ISO/OSI七层协议，自下而上分别是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。我们这里的网络层是中七层协议运输层TCP和UDP。


七层协议
TCP与UDP的区别

TCP是长连接，可以保证数据的传输可靠性 ，保证数据顺序，发送数据前必须要进行连接，面向流模式。
UDP是无连接，可能产生丢包，不保证数据顺序，面向数据报，知道对端的IP和端口号就直接进行传输,不需要建立连接可以发送数据。

UDP和TCP各有各的应用场景，早期的即时通讯因为服务端资源（服务器硬件、网络带宽等）比较昂贵且没有更好的办法来分担性能负载，所以很多时候会考虑使用UDP，这其中主要是早期的QQ为代表。

时至今日，TCP的服务端负载已经有了很好的解决方案，加之服务器资源成本的下降，目前很多即时通讯、消息推送解决方案也都在使用TCP作为传输层协议。不过，UDP也并未排除在即时通讯、消息推送的解决方案之外，比如：弱网络通信（包括跨国的高延迟网络环境）、物联网通信、即时通讯中的实时音视频通信等等场景下，UDP依然是首选项。

socket缓冲区

socket数据是怎么样发送和接收的？其中的过程是怎么样的？接下来我们从缓冲区中来进行了解。

缓冲区简介

write()/send() 每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。无论是发送和接收，并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，这些都是TCP协议负责的事情。
read()/recv() 函数也是如此，也从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取。


缓冲区图例
  1. I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
  2. I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
  3. 即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
  4. 关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。
阻塞模式

【对于TCP套接字（默认情况下），当使用 write()/send() 发送数据时】

  1. 首先会检查缓冲区，如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 write()/send() 会被阻塞（暂停执行），直到缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据；

  2. 如果TCP协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，write()/send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁，write()/send() 才会被唤醒。如果TCP协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，write()/send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁，write()/send() 才会被唤醒；

  3. 如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入。如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入；

  4. 直到所有数据被写入缓冲区 write()/send() 才能返回。直到所有数据被写入缓冲区 write()/send() 才能返回。

【当使用 read()/recv() 读取数据时】

  1. 首先会检查缓冲区，如果缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来；

  2. 如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 read()/recv() 函数再次读取。如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 read()/recv() 函数再次读取；

  3. 直到读取到数据后 read()/recv() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。

TCP发送数据的过程

CP发送数据的大体过程：首先，TCP是有链接的可靠传输协议，所谓可靠也就是说保证客户端发送的数据服务端都能够收到，并且是按序收到。那么对于上面的问题就不可能存在数据的丢弃。那么客户端一直发送数据越来越多怎么办？下面我们分析一下TCP的传输过程。


  1. 数据首先由应用程序缓冲区复制到发送端的输出缓冲区（位于内核），注意这个过程是用类似write功能的函数完成的。有的人通常看到write成功就以为数据发送到了对端主机，其实这是错误的，write成功仅仅表示数据成功的由应用进程缓冲区复制到了输出缓冲区。

  2. 然后内核协议栈将输出缓冲区中的数据发送到对端主机，注意这个过程不受应用程序控制，而是发送端内核协议栈完成，其中包括使用滑动窗口、拥塞控制等功能。

  3. 数据到达接收端主机的输入缓冲区，注意这个接收过程也不受应用程序控制，而是由接收端内核协议栈完成，其中包括发送ack确认等。

  4. 数据由套接字接收缓冲区复制到接收端应用程序缓冲区，注意这个过程是由类似read等函数来完成。

相关文章

TCP/IP发送数据简要流程

应用层到传输层的TCP，TCP在数据前加上TCP首部，包括源端口与目的端口、校验和等，再到网络层IP协议，IP协议在数据前加上IP首部，IP首部包含源IP与目的IP，再交由路由器进行转发到数据链路层，在数据链路层给数据加上以太网首部，包含MAC地址等，可以通过ARP协议找到MAC地址

网络层技术框架选型
服务端

对于服务端选择选择是Netty通信网络框架，首先是广泛应用的java语言，而且异步高性能、高可靠性和高成熟度。Netty对网络底层封装很好了，不用考虑上边说的数据发送和接收的过程。

移动端

iOS可以选择SocketRocket,CocoaAsyncSocket。
安卓可以选择Netty通信网络框架，和java服务端一样。

不过 微信自用的移动端IM网络层跨平台组件库Mars已正式开源，这个网络框架好处如下。

  • 提供长连、短连两种网络通道；
  • 常规的网络能力，例如 DNS 防劫持、动态 IP 下发、就近接入、容灾恢复等；
  • 贴合移动互联网的网络层解决方案；
  • 贴合移动终端的平台特性：前后台、活跃态、休眠、省电、省流量等。

数据层

其实良好的架构，移动端和服务端是逻辑思维相同的，做到万法归一。服务端和移动端都要进行数据模型转化，数据存储，报文的定义，数据二进制处理，数据加密解密处理。只不过是语言不同。类似我们和老外一样都需要吃饭，我们用筷子，老外用刀叉。

报文数据定义

一个完整的报文包括报文头和报文体，报文头固定长度里面包含报文体的长度。每次先读报文头，在读报文体。读完报文体后，在接下来读下一个报文头。报文体里面包含加密的业务数据。

二进制处理

二进制和数据转换处理和字符串压缩解压处理
java版

import org.xerial.snappy.Snappy;

import java.io.IOException;

public class ByteUtil {

    //将低字节在前转为int，高字节在后的byte数组(与IntToByteArray1想对应)
    public static int byteArrayToInt(byte[] b){
        byte[] a = new byte[4];
        int i = a.length - 1,j = b.length - 1;
        for (; i >= 0 ; i--,j--) {//从b的尾部(即int值的低位)开始copy数据
            if(j >= 0)
                a[i] = b[j];
            else
                a[i] = 0;//如果b.length不足4,则将高位补0
        }
        int v0 = (a[0] & 0xff) << 24;//&0xff将byte值无差异转成int,避免Java自动类型提升后,会保留高位的符号位
        int v1 = (a[1] & 0xff) << 16;
        int v2 = (a[2] & 0xff) << 8;
        int v3 = (a[3] & 0xff) ;
        return v0 + v1 + v2 + v3;
    }

    public static long byteArrayToLong(byte[] byteNum) {
        long num = 0;
        for (int ix = 0; ix < 8; ++ix) {
            num <<= 8;
            num |= (byteNum[ix] & 0xff);
        }
        return num;
    }

    public static byte[] integerToBytes(int res) {
        byte[] targets = new byte[4];

        targets[3] = (byte) (res & 0xff);// 最低位
        targets[2] = (byte) ((res >> 8) & 0xff);// 次低位
        targets[1] = (byte) ((res >> 16) & 0xff);// 次高位
        targets[0] = (byte) (res >>> 24);// 最高位,无符号右移。
        return targets;
    }

    /**
     *
     * @param data1
     * @param data2
     * @return data1 与 data2拼接的结果
     */
    public static byte[] addBytes(byte[] data1, byte[] data2) {
        if (data1 == null) {
            return  data2;
        } else {
            byte[] data3 = new byte[data1.length + data2.length];
            System.arraycopy(data1, 0, data3, 0, data1.length);
            System.arraycopy(data2, 0, data3, data1.length, data2.length);
            return data3;
        }
    }

    /**
     * 压缩字符
     * @param
     * @param
     *
     * */

    public static  byte[] compressHtml(String value){
        try {
            return Snappy.compress(value.getBytes("UTF-8"));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    /**
     * 解压字符
     * @param
     * @param
     *
     * */

    public static  String decompressString(byte[] bytes){
        try {
            return new String(Snappy.uncompress(bytes));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

oc版


#import "Msg.h"
#import "SecurityUtil.h"
#import "snappy-ios.h"

@implementation Msg

-(id)init;
{
    self=[super init];
    buffer=[[NSMutableData alloc] init];
    return self;
}

-(void) dealloc;
{
    [buffer release];
    buffer = nil;
    [super dealloc];
}

-(void)flush
{
    SInt32 v=(SInt32)[buffer length] -4;
    SInt8 bytes[4];
    bytes[0]=(SInt8)((v >> 24) & 0xFF);
    bytes[1]=(SInt8)((v >> 16) & 0xFF);
    bytes[2]=(SInt8)((v >> 8)& 0xFF);
    bytes[3]=(SInt8)(v & 0xFF);
    [buffer replaceBytesInRange:NSMakeRange(0, 4) withBytes:bytes];
}

-(void)writeInt:(SInt32)value
{
    SInt8 bytes[4];
    bytes[0]=(SInt8)((value >> 24) & 0xFF);
    bytes[1]=(SInt8)((value >> 16) & 0xFF);
    bytes[2]=(SInt8)((value >> 8)& 0xFF);
    bytes[3]=(SInt8)(value & 0xFF);
    [buffer appendBytes:&bytes length:4];
}


-(void)writeLong:(SInt64)value
{
    SInt8 bytes[8];
    bytes[0]=(SInt8)((value >> 56) & 0xFF);
    bytes[1]=(SInt8)((value >> 48) & 0xFF);
    bytes[2]=(SInt8)((value >> 40)& 0xFF);
    bytes[3]=(SInt8)((value >> 32)& 0xFF);
    bytes[4]=(SInt8)((value >> 24)& 0xFF);
    bytes[5]=(SInt8)((value >> 16)& 0xFF);
    bytes[6]=(SInt8)((value >> 8)& 0xFF);
    bytes[7]=(SInt8)(value & 0xFF);
    [buffer appendBytes:&bytes length:8];
}


-(void)writeString:(NSString *)value
{
    NSData *data = [value dataUsingEncoding: NSUTF8StringEncoding];
    SInt32 count= (SInt32)[data length];
    [self writeInt:count];
    [buffer appendData:data];
}

-(void)writeContent:(NSString *)value
{
    NSData *data = [value dataUsingEncoding: NSUTF8StringEncoding];
    if ([data length] >=DataPacketLimit){
        [self writeInt:1];
        data= [data compressed];
    }else{
        [self writeInt:0];
    }
    SInt32 count= (SInt32)[data length];
    [self writeInt:count];
    [buffer appendData:data];
}


-(void)writeEncrypt:(NSString *)key Content:(NSString *)value
{
    value=[SecurityUtil encrypt:key content:value];
    [self writeString:value];
}


-(void)writeBytes:(NSData *) value
{
    [buffer appendData:value];
}


-(NSData*) getBuffer
{
    NSData *result=[NSData dataWithData:buffer];
    return result;
}

@end
加密解密处理

数据进行的加密和解密采用的方式是Base64和AES(AES/ECB/PKCS5Padding 对称加密算法)

AES,RSA对称加密和非对称加密

  • 关于RSA加密机制：是非对称加密方式，两个钥，公钥和私钥，公钥用于加密数据，可以分享给其他用户，私钥可以用于解密用公钥加密的数据，关于安全问题是公钥泄露不会影响安全问题，公钥与私钥是一一对应的关系。

  • AES加密也叫对称加密：A用密码对数据进行AES加密后，B用同样的密码对密文进行AES解密。

数据和模型之间的转换

数据和模型之间的转换也就是JSON和模型之间的转换，把JSON转换为模型是为了更好的业务处理。而模型转换为JSON是为了数据之间的传输。

数据存储

数据存储放到数据库中，分为服务端和客户端，具体如下

服务端

服务端数据存储把未读的消息放到redis或者是内存中。把全都消息放mysql中。客户端向服务端拉消息时，以时间戳为比较，进行数据拉取。

移动端

移动端可以选择的数据库比较多比如iOS中可以选择苹果自带的数据库，但是不支持其他平台进行数据迁移。如果sql语句学的好的，也可以选SQLite，支持iOS和安卓平台。推荐使用Realm,使用方便，面向对象，是跨平台数据库。

业务层

这里业务层不做过多的阐述，只是客户端和服务端的业务往来。根据自己项目的需求，务端和客户端定义数据格式和内容。一般的即时通讯的业务有单聊，群聊，好友管理，房间信息，好友信息等等。也可以进行外带其他业务。

服务端负载均衡集群

单机系统的时候，客户端和连接都有同一台服务器管理。


单机系统

在本地维护一份userId到connetciont的映射
服务器可以根据userId找出对应的连接，然后把消息push出去


一个真正的互联网产品不可能只有一台服务器，做单机场景，把服务端ip和端口写死，如果一台服务器崩掉，没有办法立即恢复。所以我们要通过集群的来保证高可用，来进行服务端负载均衡，具体流程如下。

  • 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，若连接不上在进行get-tcp-ip请求。


扩展性问题解决
  • 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。


主动拉取tcp-im-server的状态

分发服务器通过“拉”的方式获取各个tcp-im-server的状态，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。

服务器消息的路由

若是两个用户在不同的tcp-im-server上，需要进行消息穿透转发。
例如：
小明向小张发的消息，需要小张的对应连接的tcp-im-server才能推送
要完成这个需求需要解决两个问题：
1、聊天服务器这么多，怎么才能知道小张连接了哪一台tcp-im-server？
2、知道是哪一台服务器，怎么才能把消息精准发送到对应的tcp-im-server?


第一个问题好解决，用redis去做map映射。当用户创建连接的时候在redis中把userId(key),tcp-im-server(value)存储起来。这样我们根据userId找到tcp-im-server。


第二个问题，怎样把消息精准的转发到对应的tcp-im-server。
可以让每个tcp-im-server启动的时候都有自己的mq和routingkey,使用rabbitMq的TopicExchange交换器，这样消息就能精准投递到对应的机器，routingKey可以用上面定义的tcp-im-server。
同时queue的熟悉选专属队列，这样服务器重启后，连接断开后，旧的队列会自动删除

这样就搭建好来服务端负载均衡集群

相关文章

《使用rabbitmq实现集群聊天服务器消息的路由》

dome代码实例

IM聊天服务器代码----IMServer
IM应用服务器代码----IMAppServer
IMiOS客户端代码----IMApp-iOS

结语

即时通讯技术发展的非常快，总结出来希望对大家有所帮助，不对的地方欢迎指出。
QQ:328555416

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