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即时通讯IM系统开发

2022-08-27 22:37:34 835

摘要:我于2014年开启即时通讯的开发之路,历经从服务端到客户端,从第三方到自研,经历过诸多的研发难题,都一一破解。现将经验总结如下,希望对行业内从事IM开发的程序员有所帮助。一、基础技术选型(1)通讯方式①P2P方式P2P方式多用于局域网内聊天...

我于2014年开启即时通讯的开发之路,历经从服务端到客户端,从第三方到自研,经历过诸多的研发难题,都一一破解。现将经验总结如下,希望对行业内从事IM开发的程序员有所帮助。

一、基础技术选型

(1)通讯方式

①P2P方式

P2P方式多用于局域网内聊天,这种方式在有种种限制和不便。一方面它只适合在线的点对点消息传输,对离线,群组等支持不够。另一方面由于 NAT 的存在,使得不同局域网内机器互联难度大大上升,在某些网络类型(对称NAT)下无法建立连接。使用P2P方式的软件在启动后一般做两件事情:

1、进行UDP广播:发送自己信息和接受同局域网内其他端信息。

2、开启TCP监听:等待其他端进行连接。

②服务器中转方式

大部分的互联网IM产品都采用服务器中转这种方式进行消息传输,相对于P2P的方式,具有有以下的优点:

1、支持更多P2P无法支持或支持不好的业务,如离线消息,群组,聊天室。

2、方便业务逻辑的拓展和新旧版本的兼容,当然它也有自己的问题,就是服务器架构复杂,并发要求高。

通过以上的比较,建议我们在开发IM系统的时候使用服务器中转的方式。


(2)网络连接方式

IM的网络连接方式有基于TCP的长连接和基于HTTP短连接两种:

①基于TCP的长连接

基于TCP长连接则能够更好地支持大批量用户,问题是客户端和服务器的实现比较复杂。也有一些改进,比如下行使用MQTT进行服务器通知/消息的下发,上行使用HTTP短连接进行指令和消息的上传。这种方式能够保证下行消息/指令的及时性,但是在弱网络下上行慢的问题还是比较严重,早期的来往就是基于这种方式。

②基于HTTP短连接

常见于WEB IM系统(现在很多WEBIM都是基于WebSocket实现),它的优点是实现简单,方便开发上手,问题是流量大,服务器负载较大,消息及时性无法很好地保证,对大规模的用户量支持不够,适合小型的IM系统。

(3)通讯协议方式

IM常见的协议有:XMPP,MQTT,私有协议。各种协议优缺点情况如下:

①XMPP协议

优点:协议开源,可拓展性强,在各个端(有各种语言的实现,对于前期入门级的开发者是很好的选择,方便进入IM开发的程序员快速上手。

缺点:XML表现力弱,有太多冗余信息,流量大。

常见案例:Gtalk、新浪微博、Facebook。

②MQTT协议

优点:协议简单,流量少。

缺点:不是一个专门为IM设计的协议,多使用于推送。

③私有协议

几乎所有主流的IM APP都是使用私有协议。

优点:高效,节约流量(一般使用二进制协议),安全性高,难以破解。

缺点:开发初期没有现有样列可以参考,对于参与IM开发的程序员的要求比较高。

常见案例:微信、钉钉。

根据以上的对比,我们得出结果,一个好的协议需要满足高效、简洁、节约流量、易于拓展等要求,同时又能够和当前的开发团队的技术堆栈匹配,不能选择一个他们很难上手的。

这里再提一下,我当时开发IM系统的时候,上手用的是XMPP,在使用的过程中发现了很多问题,踩了很多坑。

二、IM系统设计

(1)系统设计原则

①实时性原则

消息实时到达接收方,如果用户在线,则消息实时到达,如果用户不在线,则消息在用户登录后到达。由于网络波动,以及移动端操作系统对应用前后台切换的管理,如何实现用户连接管理、消息实时推送,推送失败的处理方式,客户端重连机制,消息如何补齐等,都需要IM系统考虑。由于TCP开发略微复杂,早期的基于HTTP短轮询、长轮询的低效的技术方案,也无法达到实时性的要求。

②可靠性原则

是指我们经常听到的“消息送达”,通常用消息的不丢失和不重复两个技术指标来表示。可靠性是要确保消息被发送后,能够被接收者收到。由于网络环境的复杂性,以及用户在线的不确定性,消息的可靠性(不丢失、不重复)是IM系统的核心指标,也是IM系统实现中的难点之一。总体来说,IM系统的消息“可靠性”,通常就是指聊天消息投递的可靠性(准确的说,这个“消息”是广义的,因为还存用户看不见的各种指令和通知,包括但不限于进群退群通知、好友添加通知等,为了方便描述,统称“消息”)。

从消息发送者和接收者用户行为来讲,消息“可靠性”应该分为以下几种情况:

1、发送失败:对于这种情况要感知到,明确反馈给发送方。如果此消息没有发送成功,发送方可以选择重试或者稍后再试。

2、发送成功:如果接收方处在“在线”状态,应该立即收到此消息。如果接收方处在“离线”状态不能收到消息,一旦上线则立刻收到消息。

3、消息不能重复:简言之就是发送的一条消息不能被重复收到多次。

③一致性原则

系统中要重视消息的时序问题,不能出现发送的消息顺序颠倒的问题。通常出现时序的问题有以下的原因:

1、网络传输延迟导致时序不一致。不同用户发送的消息到达服务器的延时差异较大,给消息时序性带来挑战。早期开发过程中经常会遇到这种问题。

2、分布式系统的出现导致时序不一致。IM系统模块众多,接入层、消息逻辑层等、每层都分布式集群化,这些应用分布在不同的机器上,如何保证时序是个难点。

④扩展性原则

扩展性是IM系统后期要考虑的问题,包括功能的扩展,服务器的扩展等,这次就先不展开阐述。

(2)网络应用框架选型

Mina和Netty都是Java领域高性能和高可伸缩性网络应用程序的网络应用框架。

Mina是 Apache 组织的项目,它为开发高性能和高可用性的网络 应用程序提供的框架。当前的Mina版本支持基于 Java NIO 技术的 TCP/UDP 应用程序开发、串口通讯程序。目前正在使用 Mina的 软件有:Apache Directory Project、AsyncWeb、AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)、RED5 Server(Macromedia Flash Media RTMP)、ObjectRADIUS、Openfire等。

Netty是由JBOSS提供的一个java开源框架。Netty提供异步的、 事件驱动的网络应用程序框架和工具,用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。也就是说Netty是一个基于NIO的客户端和服务器端框架,使用Netty可以确保你快速和简单的开发出一个网络应用。

虽然我使用过Mina,但是建议开发选型上使用Netty。因为Netty有对google protocal buf的支持,有更完整的ioc容器支持(spring,guice,jbossmc和osgi)。Mina更新到2.0就不再更新了,而Netty一直在更新,目前最新发布的版本已经更新到4.1,从版本更新角度可以看出Netty的社区很活跃,修复问题一直在持续,这将对我们选择它进行开发带来很多便利。

三、基于Netty架构设计

(1)单体系统架构

单体Netty IM系统,可以支持10万并发,如果机器性能良好的情况下可以超过10万。

(2)分布式架构

分布式的Netty IM系统,可以支持更高的并发数。各组件的功能如下:

①IM Server 连接器:主要用来负责维持和客户端的TCP连接。

②缓存:负责用户、用户绑定关系、用户群组关系的缓存。 缓存临时数据、加快读速度。可以做成集群方式。

③数据库:用户、群组、离线消息。可以做成集群方式。

④消息队列:用户状态广播、群组消息广播。可以做成集群方式。

四、如何快速入手

(1)开发环境

开发环境推荐使用netty-4.1.30这个版本,jdk使用1.8及以上版本。如下所示:

<dependency>

<groupId>io.netty</groupId>

<artifactId>netty-all<rtifactId>

<version>4.1.30.Final</version>

</dependency>

(2)组件选择

①开发框架采用Netty + Spring(Spring4.x)。

②Spring采用Spring cloud。基于restful 短连接的分布式微服务架构,完成用户在线管理、单点登录系统。

③消息队列采用rocketMQ 高速队列,整流作用。

④数据库采用MYSQL。

⑤协议JSON +自定义数据包采用Fastjson。

(3)参考样例

基于Netty的IM开源代码在网上有很多,这里就不列举了,可以自行去git上下载。我认为关键是把概念理清楚,技术堆栈选好,总体框架定好,接下来就是开发一个适合中小企业的IM系统了,但是要考虑到后期的扩展性,因为一个好的产品不能自己用,要让更多的人使用。

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