IM服务器设计与进化

2023-08-30  本文已影响0人  ysdyyy

一：概述

IM：instant messaging ，中文翻译”即时通讯“，干啥的呢？就是我发个消息，你即时的就能看见。
那么IM消息的整个系统都有哪些东西呢？

  1. 客户端。用来发送玩家的消息给服务器，接收并显示群内玩家的消息；
  2. 服务端。用来接收并处理玩家的消息，以及给某玩家推送消息
    有人问客户端自己能不能干这事？不能，因为我想给老王发个消息，但老王在哪我是不知道的，因为老王和我没有连接，所以只好找个中间商，中间商就固定在某个位置，我俩分别于中间商连接，那我俩也就可以连接了。

二：仅支持单聊的IM消息服务器，IM服务器1.0版

还是我和老王，我俩都连接了服务器这个中间商，我俩想通个话，怎么整呢？

  1. 首先，我与服务器建立了连接，这个连接有一个唯一的标识，
  2. 然后，老王也与服务器建立了连接，这个连接也有一个唯一的标识
  3. 我想向老王发送一条消息：“吃了吗？”
  4. 那么我先向IM消息服务器发一条消息，说我想向老王发条消息。
  5. IM服务器接收到了这条消息，它看看在线的人里面有没有老王，发现有，然后把消息发送给老王，然后告诉我发送成功。
  6. 老王接收到这条消息，我本地在服务器告诉我成功之后，也显示了这条消息。

上边是通俗的讲法，下面是技术的讲法

  1. 我与im服务器建立长连接，如通过socketio建立了长连接 s1，登录信息与长连接的关系保存到服务器，如<playerId1: s1>
  2. 老王与im服务器建立长连接，如通过socketio建立了长连接 s2，登录信息与长连接的关系保存到服务器，如<playerId2: s2>
  3. 我发言，本质上是客户端通过s1，向服务器发送消息：
sendMessage: {playerId = playerId2, message = "吃了吗"}
  1. IM服务器接收到之后，在缓存中找有没有playerId2，如有，通过playerId2找到s2, 然后通过s2将message发送给playerId2, 同时将此信息发送给playerId1一份。
  2. 双方收到服务器推送的消息，分别展示这条消息

如此设计，一个简单的单聊IM服务器，就成型了。

那么它有什么问题？

  1. 只能单聊，群聊暂不支持。我想8个人一起聊，不能实现。
  2. 如果有人掉线了，发向此人的消息他接收不到，那人重新上线，也无法看到，简单来说这条消息丢了。

三：支持群聊和消息历史的IM服务器，IM消息服务器2.0版

1.0版本解决只能单聊和消息丢失的问题，那么如何解决？

通俗来讲：

  1. 通过发言前建立群组，把想群聊的这些人的信息归于一处，来支持群聊，这样就能知道你的发言应该发给谁谁谁
  2. 通过把发言备份到一个可靠的地方，作为历史发言记录，解决消息丢失的问题

下面是技术的讲法

  1. playerId1,playerId2,playerId3分别于im服务器通过socketio建立了长连接 s1,s2,s3
  2. playerid1想组建个群聊，成员分别是playerid1,playerId2,playerId3，因此向IM服务器发送组建群聊请求
  3. IM收到该请求，创建个群组的数据group: {playerIds:[playerId1,playerId2,playerId3]},然后告知playerId1成功，并且通知到playerId2和playerId3这个组建群聊成功
  4. playerId1,2,3接收到组建群聊成功消息后，在UI界面展示群组信息
  5. playerId1发言："干啥去"，playerId 向IM发送向某群聊发送消息请求
  6. IM收到该请求，查找到该群聊，查找到群聊中的playerid1,2,3，然后分别向playerId1,2,3发送此条消息，并且存储此条群聊的消息到数据库（如redis,mongodb）
  7. playerId1,2,3接收到IM的消息推送后，在各自的UI中展示这条消息

如果playerId3 断线之后，playerId2说了句“去吃饭”呢？

  1. 客户端保存有群聊最大的消息序号x，与im服务器建立长连接后，先问IM服务器询问目前最新的消息序号y，如x<y，说明客户端存着的消息是滞后的，因此通过请求IM服务器的方式拿到x之后的群聊消息，并及时更新自己的最大消息序号到y

看起来目前的版本已经支持了群聊，也解决了消息丢失问题。那么它还有什么问题？

  1. 当同时发言的人数多的时候，这台服务器会处理不过来，表现为消息发出去以后老半天不见动静

四，理论上支持无限人聊天的IM服务器，IM服务器3.0版

2.0版本的单台服务器在人多时的性能问题，该如何解决？
答曰，分布式。分布式也就是多服务的意思，这些服务可能在一个服务器，也可能在多个服务器，这种方式理论上能近乎无限的提升服务的性能，但他会带来一些挑战：

  1. 群聊里的人可能来自不同的服务器，因此消息发送将更复杂
  2. 当多人近乎同时发送消息时，需要保证群聊里的所有人完整，准确，顺序相同的拿到这些人的发言。不能顺序不一样，更不能缺失。

那么服务器该如何设计呢？
通俗来讲：

  1. 客户端创建的群组信息，要所有服务器都能看到，且都能获取，并且群组信息里除了要有用户的ID之外，还得有他在哪台服务器，这样才能找到这个用户在哪
  2. 用户上线时，需要更新一下群组信息，说明我目前连的是这台服务器
  3. 对于来自同一个群组内同时发言的这些请求，不管它有多少，整个服务器部分同时只处理一个

下面是技术的讲法

  1. playerId1,playerId2,playerId3分别于im服务器A,B,C 通过socketio建立了长连接 s1,s2,s3
  2. playerId1,2,3,分别更新自己在数据库中的数据，使server=A/B/C
  3. playerid1想组建个群聊，成员分别是playerid1,playerId2,playerId3，因此向IM服务器发送组建群聊请求
  4. IM收到该请求，查找数据库，找到playerId1,2,3的数据，拿到各自的server，并创建群组的数据
group: {players:[
  {id:playerId1,server:A,socket:s1},
  {id:playerId2,server:B,socket:s2},
  {id:playerId3,server:C,socket:s3},
]},

然后告知playerId1成功，并且通知发送消息给B和C，中的playerId2和playerId3这个组建群聊成功

  1. IM的全局kafka消费者实例，订阅群聊的topic : "群聊ID"，xxxxx.subscribe('xxxx');
  2. playerId1,2,3接收到组建群聊成功消息后，在UI界面展示群组信息
  3. playerId1发言："干啥去"，playerId 向IM发送向某群聊发送消息请求
  4. IM接收到kafka的消息后，取出群聊消息，查找到该群聊，查找到群聊中的playerid1,2,3，拿到各自的server，然后向playerId1,2,3发送此条消息，并且存储此条群聊的消息到数据库（如redis,mongodb）
  5. playerId1,2,3接收到IM的消息推送后，在各自的UI中展示这条消息

对于多个服务来说，各服务的在线状态需要同步，如果当前的流量较大，还需要动态的新增服务，简单来说服务需要管理。kubernetes集群是个可行的方案。

看起来目前的版本已经支持了分布式的服务，那么它还有什么问题？

  1. 逻辑更复杂，客户端连接与消息处理的逻辑耦合在一起，IM服务器的代码将更加复杂，系统的可维护性降低
  2. 可测试性下降，单元测试和集成测试可能需要启动整个im服务器来进行
  3. 耦合性强，难以将消息的处理部分抽离出来，用于其他功能或服务
  4. 代码维护困难，很好理解，越复杂，就越难维护。

五，架构更优的IM服务器，IM服务器4.0版

3.0版本的高耦合问题，该如何解决？

通俗来讲：

  1. 将IM服务器的管理客户端连接，群组管理，发送消息的功能；与对消息的处理功能，分开，各自干各自的事情

下面是技术的讲法：

  1. 新建若干消息消费者服务器，这些服务器用于消息处理
  2. IM服务器只负责管理与客户端的连接，群组管理，向客户端发送消息，以及接收来自消费者服务器的消息

当玩家创建群组时：

  1. playerId1,playerId2,playerId3分别于im服务器A,B,C 通过socketio建立了长连接 s1,s2,s3
  2. playerId1,2,3,分别更新自己在全局redis集群中的数据，即playerId1的server=A，
  3. playerid1想组建个群聊，成员分别是playerid1,playerId2,playerId3，因此向IM服务器发送组建群聊请求
  4. IM收到该请求，查找数据库（redis），找到playerId1,2,3的server，并创建群组的数据，并保存到数据库（如redis）
group: {players:[
  {id:playerId1},
  {id:playerId2},
  {id:playerId3},
]},

然后告知playerId1成功，并且通知发送消息给B和C，中的playerId2和playerId3这个组建群聊成功

  1. IM通知消息服务，消息服务接到通知后开始subscribe 此topic, topic名字是群组的ID
  2. playerId1,2,3接收到组建群聊成功消息后，在UI界面展示群组信息

当玩家发言时：

  1. playerId1发言："干啥去"，playerId 向IM发送向某群聊发送消息请求
  2. IM接收到请求，验证playerId1的身份，将消息存入数据库，并向kafka发送一条消息。topic为群聊ID
    3.消息消费者拿到来自kafka的消息后，取出群聊的消息，在redis中找到该群聊，取出其中的playerId, 然后从全局redis中找到playerId对应的server，然后给对应的IM服务器发送消息，类似如{server:A,playerId:'playerId1',"message":"干啥去"}
  3. IM服务器接收到来自消息消费者的消息后，验证是否连接有playerId, 如果有，通过socketio向该用户发消息
  4. playerId1,2,3接收到IM的消息推送后，在各自的UI中展示这条消息

目前的架构，有如下特征：

  1. IM服务可以是任意多个，负责处理连接，管理群组，发送消息
  2. 消息消费者服务可以是任意多个，负责处理消息，形成明确的消息发送指令，并给到IM服务
  3. kafka作为中间件存在，负责异步转同步，流量削峰
  4. IM和消息消费者服务职责明确，有利于维护

看起来似乎不错了，那么它还有哪些问题？

  1. 鉴权，不是什么人都能发消息，因此需要增加鉴权
  2. 全局的redis来储存用户所在的server信息，一旦redis挂了，所有人都不能聊天了，因此可以考虑redis与mongodb结合，缓存+DB的形式，这将增加开发的复杂度

但主体的架构已经完成，总体来说是个还不错的IM服务器架构。

这里先空着，我将给出架构图：

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六：下一代IM服务器的方向在哪里

本着大胆想象的原则，让我们畅想一下下一代的IM服务器。
但我这里还没有具体的答案，但大概有一些关键词，如AI，去中心化和边缘计算，有待思考和讨论

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