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基于websocket单台机器支持百万连接分布式聊天(IM)系统

2019-08-12  本文已影响4人  link1st

基于websocket单台机器支持百万连接分布式聊天(IM)系统

本文将介绍如何实现一个基于websocket分布式聊天(IM)系统。

使用golang实现websocket通讯，单机可以支持百万连接，使用gin框架、nginx负载、可以水平部署、程序内部相互通讯、使用grpc通讯协议。

本文内容比较长，如果直接想clone项目体验直接进入项目体验 goWebSocket项目下载 ,文本从介绍webSocket是什么开始，然后开始介绍这个项目，以及在Nginx中配置域名做webSocket的转发，然后介绍如何搭建一个分布式系统。

目录

1、项目说明

1.1 goWebSocket

本文将介绍如何实现一个基于websocket聊天(IM)分布式系统。

使用golang实现websocket通讯，单机支持百万连接，使用gin框架、nginx负载、可以水平部署、程序内部相互通讯、使用grpc通讯协议。

1.2 项目体验

2、介绍webSocket

2.1 webSocket 是什么

WebSocket 协议在2008年诞生，2011年成为国际标准。所有浏览器都已经支持了。

它的最大特点就是，服务器可以主动向客户端推送信息，客户端也可以主动向服务器发送信息，是真正的双向平等对话，属于服务器推送技术的一种。

2.2 webSocket的兼容性

浏览器开始支持webSocket的版本

golang、java、php、node.js、python、nginx 都有不错的支持

Android可以使用java-webSocket对webSocket支持

iOS 4.2及更高版本具有WebSockets支持

2.3 为什么要用webSocket

目前大多数的请求都是使用HTTP，都是由客户端发起一个请求，有服务端处理，然后返回结果，不可以服务端主动向某一个客户端主动发送数据

服务端处理一个请求

2.4 webSocket建立过程

客户端发起升级协议的请求，采用标准的HTTP报文格式，在报文中添加头部信息

Connection: Upgrade表明连接需要升级

Upgrade: websocket需要升级到 websocket协议

Sec-WebSocket-Version: 13 协议的版本为13

Sec-WebSocket-Key: I6qjdEaqYljv3+9x+GrhqA== 这个是base64 encode 的值，是浏览器随机生成的，与服务器响应的 Sec-WebSocket-Accept对应

# Request Headers
Connection: Upgrade
Host: im.91vh.com
Origin: http://im.91vh.com
Pragma: no-cache
Sec-WebSocket-Extensions: permessage-deflate; client_max_window_bits
Sec-WebSocket-Key: I6qjdEaqYljv3+9x+GrhqA==
Sec-WebSocket-Version: 13
Upgrade: websocket
浏览器 Network

服务端接收到升级协议的请求，如果服务端支持升级协议会做如下响应

返回:

Status Code: 101 Switching Protocols 表示支持切换协议

# Response Headers
Connection: upgrade
Date: Fri, 09 Aug 2019 07:36:59 GMT
Sec-WebSocket-Accept: mB5emvxi2jwTUhDdlRtADuBax9E=
Server: nginx/1.12.1
Upgrade: websocket
websocket接收和发送数据

3、如何实现基于webSocket的长链接系统

3.1 使用go实现webSocket服务端

3.1.1 启动端口监听

go websocket.StartWebSocket()

// 启动程序
func StartWebSocket() {
    http.HandleFunc("/acc", wsPage)
    http.ListenAndServe(":8089", nil)
}

3.1.2 升级协议

func wsPage(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {

    // 升级协议
    conn, err := (&websocket.Upgrader{CheckOrigin: func(r *http.Request) bool {
        fmt.Println("升级协议", "ua:", r.Header["User-Agent"], "referer:", r.Header["Referer"])

        return true
    }}).Upgrade(w, req, nil)
    if err != nil {
        http.NotFound(w, req)

        return
    }

    fmt.Println("webSocket 建立连接:", conn.RemoteAddr().String())

    currentTime := uint64(time.Now().Unix())
    client := NewClient(conn.RemoteAddr().String(), conn, currentTime)

    go client.read()
    go client.write()

    // 用户连接事件
    clientManager.Register <- client
}

3.1.3 客户端连接的管理

// 连接管理
type ClientManager struct {
    Clients     map[*Client]bool   // 全部的连接
    ClientsLock sync.RWMutex       // 读写锁
    Users       map[string]*Client // 登录的用户 // appId+uuid
    UserLock    sync.RWMutex       // 读写锁
    Register    chan *Client       // 连接连接处理
    Login       chan *login        // 用户登录处理
    Unregister  chan *Client       // 断开连接处理程序
    Broadcast   chan []byte        // 广播 向全部成员发送数据
}

// 初始化
func NewClientManager() (clientManager *ClientManager) {
    clientManager = &ClientManager{
        Clients:    make(map[*Client]bool),
        Users:      make(map[string]*Client),
        Register:   make(chan *Client, 1000),
        Login:      make(chan *login, 1000),
        Unregister: make(chan *Client, 1000),
        Broadcast:  make(chan []byte, 1000),
    }

    return
}

3.1.4 注册客户端的socket的写的异步处理程序

// 向客户端写数据
func (c *Client) write() {
    defer func() {
        if r := recover(); r != nil {
            fmt.Println("write stop", string(debug.Stack()), r)

        }
    }()

    defer func() {
        clientManager.Unregister <- c
        c.Socket.Close()
        fmt.Println("Client发送数据 defer", c)
    }()

    for {
        select {
        case message, ok := <-c.Send:
            if !ok {
                // 发送数据错误 关闭连接
                fmt.Println("Client发送数据 关闭连接", c.Addr, "ok", ok)

                return
            }

            c.Socket.WriteMessage(websocket.TextMessage, message)
        }
    }
}

3.1.5 注册客户端的socket的读的异步处理程序

// 读取客户端数据
func (c *Client) read() {
    defer func() {
        if r := recover(); r != nil {
            fmt.Println("write stop", string(debug.Stack()), r)
        }
    }()

    defer func() {
        fmt.Println("读取客户端数据 关闭send", c)
        close(c.Send)
    }()

    for {
        _, message, err := c.Socket.ReadMessage()
        if err != nil {
            fmt.Println("读取客户端数据 错误", c.Addr, err)

            return
        }

        // 处理程序
        fmt.Println("读取客户端数据 处理:", string(message))
        ProcessData(c, message)
    }
}

3.1.6 接收客户端数据并处理

{"seq":"1565336219141-266129","cmd":"login","data":{"userId":"马远","appId":101}}

{"seq":"1565336219141-266129","cmd":"login","response":{"code":200,"codeMsg":"Success","data":null}}

/************************  请求数据  **************************/
// 通用请求数据格式
type Request struct {
    Seq  string      `json:"seq"`            // 消息的唯一Id
    Cmd  string      `json:"cmd"`            // 请求命令字
    Data interface{} `json:"data,omitempty"` // 数据 json
}

// 登录请求数据
type Login struct {
    ServiceToken string `json:"serviceToken"` // 验证用户是否登录
    AppId        uint32 `json:"appId,omitempty"`
    UserId       string `json:"userId,omitempty"`
}

// 心跳请求数据
type HeartBeat struct {
    UserId string `json:"userId,omitempty"`
}

/************************  响应数据  **************************/
type Head struct {
    Seq      string    `json:"seq"`      // 消息的Id
    Cmd      string    `json:"cmd"`      // 消息的cmd 动作
    Response *Response `json:"response"` // 消息体
}

type Response struct {
    Code    uint32      `json:"code"`
    CodeMsg string      `json:"codeMsg"`
    Data    interface{} `json:"data"` // 数据 json
}

3.1.7 使用路由的方式处理客户端的请求数据

// Websocket 路由
func WebsocketInit() {
    websocket.Register("login", websocket.LoginController)
    websocket.Register("heartbeat", websocket.HeartbeatController)
}

3.1.8 防止内存溢出和Goroutine不回收

client_manager.go

// 定时清理超时连接
func ClearTimeoutConnections() {
    currentTime := uint64(time.Now().Unix())

    for client := range clientManager.Clients {
        if client.IsHeartbeatTimeout(currentTime) {
            fmt.Println("心跳时间超时 关闭连接", client.Addr, client.UserId, client.LoginTime, client.HeartbeatTime)

            client.Socket.Close()
        }
    }
}

3.2 使用javaScript实现webSocket客户端

3.2.1 启动并注册监听程序

ws = new WebSocket("ws://127.0.0.1:8089/acc");

 
ws.onopen = function(evt) {
  console.log("Connection open ...");
};
 
ws.onmessage = function(evt) {
  console.log( "Received Message: " + evt.data);
  data_array = JSON.parse(evt.data);
  console.log( data_array);
};
 
ws.onclose = function(evt) {
  console.log("Connection closed.");
};

3.2.2 发送数据

登录:
ws.send('{"seq":"2323","cmd":"login","data":{"userId":"11","appId":101}}');

心跳:
ws.send('{"seq":"2324","cmd":"heartbeat","data":{}}');
 
关闭连接:
ws.close();

4、goWebSocket 项目

4.1 项目说明

4.2 项目依赖

# 主要使用到的包
github.com/gin-gonic/gin@v1.4.0
github.com/go-redis/redis
github.com/gorilla/websocket
github.com/spf13/viper
google.golang.org/grpc
github.com/golang/protobuf

4.3 项目启动

git clone git@github.com:link1st/gowebsocket.git
# 或
git clone https://github.com/link1st/gowebsocket.git

cd gowebsocket
cd config
mv app.yaml.example app.yaml
# 修改项目监听端口，redis连接等(默认127.0.0.1:3306)
vim app.yaml
# 返回项目目录，为以后启动做准备
cd ..

app:
  logFile: log/gin.log # 日志文件位置
  httpPort: 8080 # http端口
  webSocketPort: 8089 # webSocket端口
  rpcPort: 9001 # 分布式部署程序内部通讯端口
  httpUrl: 127.0.0.1:8080
  webSocketUrl:  127.0.0.1:8089


redis:
  addr: "localhost:6379"
  password: ""
  DB: 0
  poolSize: 30
  minIdleConns: 30

go run main.go

5、webSocket项目Nginx配置

5.1 为什么要配置Nginx

5.2 nginx配置

upstream  go-im
{
    server 127.0.0.1:8080 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=10s;
    keepalive 16;
}

upstream  go-acc
{
    server 127.0.0.1:8089 weight=1 max_fails=2 fail_timeout=10s;
    keepalive 16;
}


server {
    listen       80 ;
    server_name  im.91vh.com;
    index index.html index.htm ;


    location /acc {
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_pass http://go-acc;
        proxy_http_version 1.1;
        proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
        proxy_set_header Connection $connection_upgrade;
        proxy_set_header Connection "";
        proxy_redirect off;
        proxy_intercept_errors on;
        client_max_body_size 10m;
    }

    location /
    {
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_pass http://go-im;
        proxy_http_version 1.1;
        proxy_set_header Connection "";
        proxy_redirect off;
        proxy_intercept_errors on;
        client_max_body_size 30m;
    }

    access_log  /link/log/nginx/access/im.log;
    error_log   /link/log/nginx/access/im.error.log;
}

5.3 问题处理

/link/server/tengine/sbin/nginx -t


nginx: [emerg] unknown "connection_upgrade" variable
configuration file /link/server/tengine/conf/nginx.conf test failed

http{
    fastcgi_temp_file_write_size 128k;
..... # 需要添加的内容

    #support websocket
    map $http_upgrade $connection_upgrade {
        default upgrade;
        ''      close;
    }

.....
    gzip on;
    
}

6、压测

6.1 Linux内核优化

ulimit -n 1000000

vim /etc/sysctl.conf
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 0

6.2 压测准备

6.3 压测数据

在线用户数 cup 内存 I/O net.out
1W
10W
100W

7、如何基于webSocket实现一个分布式Im

7.1 说明

7.2 架构

用户连接时序图 分布是系统随机给用户发送消息

8、回顾和反思

8.1 在其它系统应用

8.2 已经实现的功能

IM实现细节:

8.2 需要完善、优化

8.3 总结

9、参考文献

维基百科 WebSocket

阮一峰 WebSocket教程

WebSocket协议：5分钟从入门到精通

link1st gowebsocket

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