为自己搭建一个分布式 IM(即时通讯) 系统

前言

大家新年快乐!

新的一年第一篇技术文章希望开个好头,所以元旦三天我也没怎么闲着,希望给大家带来一篇比较感兴趣的干货内容。

老读者应该还记得我在去年国庆节前分享过一篇《设计一个百万级的消息推送系统》;虽然我在文中有贴一些伪代码,依然有些朋友希望能直接分享一些可以运行的源码;这么久了是时候把坑填上了。

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目录结构:

本文较长,高能预警;带好瓜子板凳。

于是在之前的基础上我完善了一些内容,先来看看这个项目的介绍吧:

CIM(CROSS-IM) 一款面向开发者的 IM(即时通讯)系统;同时提供了一些组件帮助开发者构建一款属于自己可水平扩展的 IM 。

借助 CIM 你可以实现以下需求:

  • IM 即时通讯系统。
  • 适用于 APP 的消息推送中间件。
  • IOT 海量连接场景中的消息透传中间件。

完整源码托管在 GitHub : https://github.com/crossoverJie/cim

演示

本次主要涉及到 IM 即时通讯,所以特地录了两段视频演示(群聊、私聊)。

点击下方链接可以查看视频版 Demo。

YouTubeBilibili
群聊 私聊群聊 私聊

也在公网部署了一套演示环境,想要试一试的可以联系我加入内测群获取账号一起尬聊😋。

架构设计

下面来看看具体的架构设计。

  • CIM 中的各个组件均采用 SpringBoot 构建。
  • 采用 Netty + Google Protocol Buffer 构建底层通信。
  • Redis 存放各个客户端的路由信息、账号信息、在线状态等。
  • Zookeeper 用于 IM-server 服务的注册与发现。

整体主要由以下模块组成:

cim-server

IM 服务端;用于接收 client 连接、消息透传、消息推送等功能。

支持集群部署。

cim-forward-route

消息路由服务器;用于处理消息路由、消息转发、用户登录、用户下线以及一些运营工具(获取在线用户数等)。

cim-client

IM 客户端;给用户使用的消息终端,一个命令即可启动并向其他人发起通讯(群聊、私聊);同时内置了一些常用命令方便使用。

流程图

整体的流程也比较简单,流程图如下:

  • 客户端向 route 发起登录。
  • 登录成功从 Zookeeper 中选择可用 IM-server 返回给客户端,并保存登录、路由信息到 Redis
  • 客户端向 IM-server 发起长连接,成功后保持心跳。
  • 客户端下线时通过 route 清除状态信息。

所以当我们自己部署时需要以下步骤:

  • 搭建基础中间件 Redis、Zookeeper
  • 部署 cim-server,这是真正的 IM 服务器,为了满足性能需求所以支持水平扩展,只需要注册到同一个 Zookeeper 即可。
  • 部署 cim-forward-route,这是路由服务器,所有的消息都需要经过它。由于它是无状态的,所以也可以利用 Nginx 代理提高可用性。
  • cim-client 真正面向用户的客户端;启动之后会自动连接 IM 服务器便可以在控制台收发消息了。

更多使用介绍可以参考快速启动

详细设计

接下来重点看看具体的实现,比如群聊、私聊消息如何流转;IM 服务端负载均衡;服务如何注册发现等等。

IM 服务端

先来看看服务端;主要是实现客户端上下线、消息下发等功能。

首先是服务启动:

由于是在 SpringBoot 中搭建的,所以在应用启动时需要启动 Netty 服务。

从 pipline 中可以看出使用了 Protobuf 的编解码(具体报文在客户端中分析)。

注册发现

需要满足 IM 服务端的水平扩展需求,所以 cim-server 是需要将自身数据发布到注册中心的。

这里参考之前分享的《搞定服务注册与发现》有具体介绍。

所以在应用启动成功后需要将自身数据注册到 Zookeeper 中。

最主要的目的就是将当前应用的 ip + cim-server-port+ http-port 注册上去。

上图是我在演示环境中注册的两个 cim-server 实例(由于在一台服务器,所以只是端口不同)。

这样在客户端(监听这个 Zookeeper 节点)就能实时的知道目前可用的服务信息。

登录

当客户端请求 cim-forward-route 中的登录接口(详见下文)做完业务验证(就相当于日常登录其他网站一样)之后,客户端会向服务端发起一个长连接,如之前的流程所示:

这时客户端会发送一个特殊报文,表明当前是登录信息。

服务端收到后就需要将该客户端的 userID 和当前 Channel 通道关系保存起来。

同时也缓存了用户的信息,也就是 userID 和 用户名。

离线

当客户端断线后也需要将刚才缓存的信息清除掉。

同时也需要调用 route 接口清除相关信息(具体接口看下文)。

IM 路由

从架构图中可以看出,路由层是非常重要的一环;它提供了一系列的 HTTP 服务承接了客户端和服务端。

目前主要是以下几个接口。

注册接口

由于每一个客户端都是需要登录才能使用的,所以第一步自然是注册。

这里就设计的比较简单,直接利用 Redis 来存储用户信息;用户信息也只有 ID 和 userName 而已。

只是为了方便查询在 Redis 中的 KV 又反过来存储了一份 VK,这样 ID 和 userName 都必须唯一。

登录接口

这里的登录和 cim-server 中的登录不一样,具有业务性质,

  • 登录成功之后需要判断是否是重复登录(一个用户只能运行一个客户端)。
  • 登录成功后需要从 Zookeeper 中获取服务列表(cim-server)并根据某种算法选择一台服务返回给客户端。
  • 登录成功之后还需要保存路由信息,也就是当前用户分配的服务实例保存到 Redis 中。

为了实现只能一个用户登录,使用了 Redis 中的 set 来保存登录信息;利用 userID 作为 key ,重复的登录就会写入失败。

类似于 Java 中的 HashSet,只能去重保存。

获取一台可用的路由实例也比较简单:

  • 先从 Zookeeper 获取所有的服务实例做一个内部缓存。
  • 轮询选择一台服务器(目前只有这一种算法,后续会新增)。

当然要获取 Zookeeper 中的服务实例前自然是需要监听 cim-server 之前注册上去的那个节点。

具体代码如下:

也是在应用启动之后监听 Zookeeper 中的路由节点,一旦发生变化就会更新内部缓存。

这里使用的是 Guava 的 cache,它基于 ConcurrentHashMap,所以可以保证清除、新增缓存的原子性。

群聊接口

这是一个真正发消息的接口,实现的效果就是其中一个客户端发消息,其余所有客户端都能收到!

流程肯定是客户端发送一条消息到服务端,服务端收到后在上文介绍的 SessionSocketHolder 中遍历所有 Channel(通道)然后下发消息即可。

服务端是单机倒也可以,但现在是集群设计。所以所有的客户端会根据之前的轮询算法分配到不同的 cim-server 实例中。

因此就需要路由层来发挥作用了。

路由接口收到消息后首先遍历出所有的客户端和服务实例的关系。

路由关系在 Redis 中的存放如下:

由于 Redis 单线程的特质,当数据量大时;一旦使用 keys 匹配所有 cim-route:* 数据,会导致 Redis 不能处理其他请求。

所以这里改为使用 scan 命令来遍历所有的 cim-route:*


接着会挨个调用每个客户端所在的服务端的 HTTP 接口用于推送消息。

在 cim-server 中的实现如下:

cim-server 收到消息后会在内部缓存中查询该 userID 的通道,接着只需要发消息即可。

在线用户接口

这是一个辅助接口,可以查询出当前在线用户信息。

实现也很简单,也就是查询之前保存 ”用户登录状态的那个去重 set “即可。

私聊接口

之所以说获取在线用户是一个辅助接口,其实就是用于辅助私聊使用的。

一般我们使用私聊的前提肯定得知道当前哪些用户在线,接着你才会知道你要和谁进行私聊。

类似于这样:

在我们这个场景中,私聊的前提就是需要获得在线用户的 userID

所以私聊接口在收到消息后需要查询到接收者所在的 cim-server 实例信息,后续的步骤就和群聊一致了。调用接收者所在实例的 HTTP 接口下发信息。

只是群聊是遍历所有的在线用户,私聊只发送一个的区别。

下线接口

一旦客户端下线,我们就需要将之前存放在 Redis 中的一些信息删除掉(路由信息、登录状态)。

IM 客户端

客户端中的一些逻辑其实在上文已经谈到一些了。

登录

第一步也就是登录,需要在启动时调用 route 的登录接口,获得 cim-server 信息再创建连接。

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登录过程中 route 接口会判断是否为重复登录,重复登录则会直接退出程序。

接下来是利用 route 接口返回的 cim-server 实例信息(ip+port)创建连接。

最后一步就是发送一个登录标志的信息到服务端,让它保持客户端和 Channel的关系。

自定义协议

上文提到的一些登录报文、真正的消息报文这些其实都是在我们自定义协议中可以区别出来的。

由于是使用 Google Protocol Buffer 编解码,所以先看看原始格式。

其实这个协议中目前一共就三个字段:

  • requestId 可以理解为 userId
  • reqMsg 就是真正的消息。
  • type 也就是上文提到的消息类别。

目前主要是三种类型,分别对应不同的业务:

心跳

为了保持客户端和服务端的连接,每隔一段时间没有发送消息都需要自动的发送心跳。

目前的策略是每隔一分钟就是发送一个心跳包到服务端:

这样服务端每隔一分钟没有收到业务消息时就会收到 ping 的心跳包:

内置命令

客户端也内置了一些基本命令来方便使用。

命令描述
:q退出客户端
:olu获取所有在线用户信息
:all获取所有命令
:更多命令正在开发中。。

比如输入 :q 就会退出客户端,同时会关闭一些系统资源。

当输入 :olu(onlineUser 的简写)就会去调用 route 的获取所有在线用户接口。

群聊

群聊的使用非常简单,只需要在控制台输入消息回车即可。

这时会去调用 route 的群聊接口。

私聊

私聊也是同理,但前提是需要触发关键字;使用 userId;;消息内容 这样的格式才会给某个用户发送消息,所以一般都需要先使用 :olu 命令获取所以在线用户才方便使用。

消息回调

为了满足一些定制需求,比如消息需要保存之类的。

所以在客户端收到消息之后会回调一个接口,在这个接口中可以自定义实现。

因此先创建了一个 caller 的 bean,这个 bean 中包含了一个 CustomMsgHandleListener 接口,需要自行处理只需要实现此接口即可。

自定义界面

由于我自己不怎么会写界面,但保不准有其他大牛会写。所以客户端中的群聊、私聊、获取在线用户、消息回调等业务(以及之后的业务)都是以接口形式提供。

也方便后面做页面集成,只需要调这些接口就行了;具体实现不用怎么关心。

总结

cim 目前只是第一版,BUG 多,功能少(只拉了几个群友做了测试);不过后续还会接着完善,至少这一版会给那些没有相关经验的朋友带来一些思路。

后续计划:

完整源码:

https://github.com/crossoverJie/cim

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