漫谈IM通信架构
前前后后做的IM和推送系统已经有好几个了，一直都想好好总结下，因此就有了这篇文章。在我刚学编程的那会儿，觉得网络通信是一个很牛逼和门槛很高的一门技术，但是随着开源技术的发展和互联网知识的共享，现在要写出高质量的网络通信程序已经变得容易多了。
只要谈通讯肯定绕不开协议，鉴于本人经验下面只谈本人撸过的三种协议：
- XMPP
- MQTT
- 私有协议
XMPP
XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol)，也叫Jabber，它是基于稳定长连接网络环境所设计的，对于不够稳定和带宽小的移动网络不是非常合适。由于XMPP基于XML，所以流量大，流量问题对于移动网络来说非常敏感，然后就是消息不可靠、CMWAP兼容、开源项目对协议实现不完善等问题，也是XMPP面临的问题。当然XML可以通过精简压缩来实现流量可控，目前这也是XMPP优化的可行方案，消息的不可靠可以通过扩展XMPP来实现ACK，随着3/4G的发展，CMWAP网关毕竟是末日黄花，但是开源项目对协议只是部分实现等问题，也是使用XMPP绕不过去的坎。Openfire是XMPP领域最知名的开源项目，它简单易用，是很多团队的首选方案，这是国内使用最多的开源方案。Openfire虽然优点很多，但是缺点也不少，最致命的就是它的分布式扩展能力很弱，当用户量很大的时候，水平扩展就成为它的瓶颈所在。还有一个不得不提的项目就是Tigase，这是笔者接触的第一个XMPP开源项目，它在分布式扩展能力上和架构设计上比Openfire强了不少。由于该项目开始是一个私人项目，现在好像在商业化，所以使用者并不是很多，虽然国外有成熟案例，但是国内目前并不多，所以当时趟了Tigase的很多坑，目前平安好医生的聊天系统就是基于此搭建的。如果对Tigase感兴趣，可以阅读我之前写的一篇文章《Tigase集群方案及配置说明文档》。不论使用哪个开源项目，虽然看起来开箱即用，但是要成为稳定成熟的产品，还需要深度的二次开发才行。
虽然XMPP有很多弊端，但是它的生态目前是最完善的，如果从成本角度来考量，XMPP是前期投入最小产出最快的。但是如果是搭建一个SAAS平台或者千万量级的IM，XMPP就不是最优的选择了。当然这是一家之言，国外目前商业化的IM SAAS平台有好几家都是基于XMPP实现的，这个大家可以自行Google。
MQTT
MQTT是轻量级基于代理的发布/订阅的消息传输协议，它的最大特点就是协议开销非常小，伴随着的就是协议简单（40多页）、网络带宽要求极低和移动设备省电。有幸接触到该协议是笔者在开发Android推送系统时，对它进行了较细致的研究，虽然最终方案中没有使用该协议，但是自己定制的私有协议也参考了很多MQTT的设计。MQTT整个协议的组成，可以分为三个部分：
- 固定头部：通用消息数据包格式
- 可变头部：特定消息数据包格式
- 消息体：有效载荷
固定头部
每个MQTT命令消息的消息头部都包含一个固定头部，固定头部的格式如下：
Byte 1
消息类型和标志字段
Byte 2
剩余长度字段（至少1个字节，最多4个字节），采用big-endian模式存储
Message Type
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 |
0：保留 1：客户端请求连接服务器 2：连接确认 3：发布消息 4：发布确认 5：发布接收（有保证的交付第1部分） 6：发布释放（有保证的交付第2部分） 7：发布完成（有保证的交付第3部分） 8：客户端订阅请求 9：订阅确认 10：客户端取消订阅请求 11：取消订阅确认 12：PING请求 13：PING回复 14：客户端断开连接 15：保留 |
DUP(Duplicate delivery)
保证消息可靠传输，默认为0，只占用一个bit，表示是否第一次发送，它不能用于检测消息重复发送。只适用于客户端或服务器端尝试重发PUBLISH, PUBREL, SUBSCRIBE 或 UNSUBSCRIBE消息，注意需要满足以下条件：
1 2 |
QoS > 0 即消息需要回复确认 |
此时，在可变头部需要包含消息ID。当值为1时，表示当前消息先前已经被传送过。
Qos(Quality of Service)
该标志位标明 PUBLISH 消息的交付质量级别:
RETAIN
仅针对PUBLISH消息。不同值，不同含义：
1：表示发送的消息需要一直持久保存（不受服务器重启影响），不但要发送给当前的订阅者，并且以后新来的订阅了此Topic name的订阅者会马上得到推送。
备注：新来乍到的订阅者，只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。
0：仅仅为当前订阅者推送此消息。
假如服务器收到一个空消息体(zero-length payload)、RETAIN = 1、已存在Topic name的PUBLISH消息，服务器可以删除掉对应的已被持久化的PUBLISH消息。
Remaining Length
这个字节包含当前消息的剩余部分，包括变量头部和负载的数据。
可变长度的编码方式使用一个单独的字节使消息可以达到127字节的长度上限。协议限制最多4个字节，这样程序可以发送最大256Ｍ的消息。
上面便是最核心的固定头部的内容，至于可变头部和消息体可以自己查询资料，目前有很多公司在使用MQTT实现Android的推送，但是目前笔者暂时不知道谁家的IM在使用它。
私有协议
一万人眼中就有一万个哈姆雷特，同样的一万人眼中就有一万个私有协议。应用场景、设计风格，都会导致协议的设计千奇百怪。例如：数据量传输大的场景，压缩方案可能也被设计到协议中，因为不同的环境可能用到不同的压缩方式；传输质量，我们可能就默认某一个级别，可能就从协议中移除，具体的设计得靠经验和应用场景来设计。
架构
做了好几个系统，我将我喜欢使用的一套架构抛出来供大家探讨。
- CM-*:Connection Manager，可以分为WebSocket和Tcp两种承载方式。
- SM:Session Manager。
- Web:Rest接口，HTTP承载。历史消息，好友关系，个人信息管理等。
一套很简单的架构，CM只负责链路的管理，链路和用户ID的关系维护在Redis中，SM负责业务逻辑和消息路由。CM和SM内部通过RPC调用，CM和SM内部全部采用事件驱动的方式，全部采用异步的方式。任何一个模块都可以水平扩展，并且SM如果达到非常复杂的地步，还可以拆分。最终的压力基本就到了Redis和Mysql，这些高可用和高并发的方案，已经非常成熟，就不用多说了。
下图是登录流程和消息发送流程
鉴于笔者经验，开发的IM最多承载用户数也就百万级别，所以架构上或者设计方案不一定完美，仅供参考！
注意事项
- CM一定要采用多队列网卡，否者会出现服务器的一个CPU 100%，而别的CPU却很空闲，从而导致系统吞吐量上不去。因为单队列网卡的I/O中断都被分配到了一个CPU核上，大量数据包到来时，单个CPU核无法全部处理，导致LVS不断丢包连接中断。