聚光灯下的熊猫TV技术架构演进
2016 年 9 月 23-24 日，由 CSDN 和创新工场联合主办的“MDCC 2016 移动开发者大会• 中国”（Mobile Developer Conference China）将在北京•国家会议中心召开，来自iOS、Android、跨平台开发、产品设计、VR开发、移动直播、人工智能、物联网、硬件开发、信息无障碍10个领域的技术专家将分享他们在各自行业的真知灼见。大会门票8折优惠中，五人以上团购更有特惠，限量供应（票务详情链接，8折优惠，欲购从速！）
作者简介：沈冠璞，熊猫TV高级应用开发工程师，近7年后端开发经验，曾任职新浪微博、360等互联网公司，负责短链接、微博Card对象、网游页游平台业务。对高并发海量数据业务设计有丰富经验；经历熊猫TV从0到1 海量PV和存储的快速扩张发展场景，有大中型互联网网站高可用设计架构经验。在MDCC 2016上，沈冠璞将结合自身经验，解析在热门时段大主播高峰值情景下优化礼物系统技巧，带来题为《百万弹幕下的直播礼物系统》的分享。
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2015年开始的百播大战，熊猫TV是其中比较特别的一员。
说熊猫TV是含着金钥匙出生的公子哥不为过。还未上线，就频频曝光，科技号，微博稿，站上风口浪尖。内测期间更是有不少淘宝店高价倒卖邀请码，光内测时用户注册数量就达几十万，火爆程度可见一斑。笔者作为写下熊猫TV第二行代码的Coder，见证了熊猫TV成立以来的风风雨雨。直播技术坑不少，本文简单揭秘熊猫TV这一年的技术架构演进，分析各个阶段面临的主要问题和应对方案，给大家做直播系统提供一定的参考。
熊猫架构 0.1－ 来不及了，老司机快上车
这个阶段最大的目标就是按预期时间上线。
图1 项目规划时间表
组团队不表，10人左右的Web团队，从接需求，到上线，我们用了不到三个月。
这个阶段面临的最大难题：两个月就内测！
怎么办？找老战友刷刷刷！花钱买买买！作为一群经验丰富的老司机，我们用买零件翻新车的方法。网站内测公测阶段，需要满足用户登录注册、关注主播、看视频、发弹幕、加房管、领任务、送免费竹子等核心功能，采用了复用模块＋主业务全新开发的策略。
复用模块
复用模块得益于团队的前360技术背景，根据直播秀场类项目上的技术积累，利用PHP框架Pylon、发版工具Rigger，在老战友的帮助下，重新搭建了一套QBus消息组件，长连接系统，改进的Redis、MongoDB和MySQL集群，视频云服务，敏感词服务，搜索服务，这个项目才有了强大的基础支撑，才有可能在两个月时间就上线。
- 视频模块——从新搭建视频云，RTMP推流拉流，接入三家CDN作为互备。这其中需要自己实现统一调用接口和服务，方便切换CDN： 推流地址、拉流地址、转码规定、开播断流回调、一键断流、连接数查询、流截图、直播时长查询。基本上每个接口都很重要！例如一键断流万一失效，则可能面临停业整顿风险；人数不准，主播挂人气刷榜，则可能导致不公平竞争而影响平台的体验与口碑。
- 分布式基本组件：复用Syslog-ng日志收集系统、Kafka消息队列QBus、MySQL主从库、Redis主从库、MongoDB、SSDB大容量存储。
- 长连消息：单机百万长连，支持千万用户同时在线，性能够用，保证聊天弹幕稳定性。
- 图床：很重要的一环，房间截图，用户头像。
- CMS系统：配置各种推荐位，直播间的CDN调度。
主业务开发
虽然是个新项目，我们并未做一个一篮子应用，把所有接口放在一个项目，而是按功能模块分好项目，每人负责一个，对主站panda.tv项目提供内网API，部署方便互不影响，开发效率也比较高。
- Flash播放器：ActionScript开发、视频播放、弹幕展现。
- 主站pandaren：页面展现，各个子服务的串联整合；Daemon Worker负责截图更新。
- 用户体系ruc：用户注册登录、用户信息。
- 房间服务vill：包括房间信息、房间列表、更新房间人气。
- 关系服务uprofile：包括订阅关系、观看历史、主播申请、内测邀请码 。
- 数值服务count：竹子赠送、主播身高、用户经验。
- 消息服务homer：用于房间划分，长连Session ID和熊猫TV房间用户ID的转换。
- 权限系统buffon：房间管理、房管、黑名单。
- 任务服务bee：新手任务、观看定时奖励。
- 主播直播时长bloodstone：主播固定工资需要按每月直播时长计算。
架构哲学和设计
熊猫TV架构第一原则是高可用
- 网络：需要应对国内复杂的网络环境，使用内网光纤互联的多IDC来覆盖多运营商。
- 资源：DB和缓存都是集群化，配置Virtual IP方便切换。
- 隔离性：不同业务不同机器，防止雪崩效应；核心和非核心业务隔离，流量扛不住情况保重点业务。
- 降级：从Nginx和API层设置接口开关、Cache开关、DB开关，出问题一键切换。
- 超时控制：主站每个依赖业务设置5秒超时，并有报警和错误日志。
- 异步：用户不关心实时结果的大写入量业务使用异步方式更新，提高核心服务性能。
- 监控：服务器错误设置log监控、接口监控报警，随时处理线上异常。
架构目标（SLA）
根据以往新项目经验，预估支撑1000TPS ，百万日活用户，单房间10万左右在线弹幕；平均响应时间在100ms，99.9%在1s内；千万级别数据量；99.9%的可用性（全年宕机在9小时以下）。
架构选型
四层负载均衡：LVS，目前基本是业界标配，如果使用云服务的话可以用厂商提供的负载均衡，如阿里云SLB和亚马逊ELB等，这种第三方依赖都需要严格引流压测确认DB层、缓存层、Web层是否
有坑；
- Web层：Nginx＋PHP-FPM，开发迅速，适合团队技术现状，但需要针对服务器，做一定的调优配置。
- 缓存层：Redis主从库、SSDB大容量存储，会在各个业务块儿使用，增加系统性能。
- 存储层：MySQL主从库存储重要业务数据，属性变化不大。MongoDB数据库存储字段不固定变更较多的数值明细记录。SSDB存储观看记录关注等列表较长，且性能要求较高的数据。分表分库上考虑用户注册量和主播播放频率，用户中心、主播播放时长采用了按用户ID Sharding和 按年Sharding两种策略。业务初期暂时没有分库需求。
- 消息队列：实现业务解耦，使用当前较流行的Kafka队列。
设计实现
机器配置采用6核16G的虚拟机。服务部署单独的XEN虚拟机集群，互不影响，进行多机房互备，机房间光纤专线内网互通。
图2 整体架构
120台虚拟机分给十多个业务，主站用了40+，三个IDC——电信联通移动同时使用，流量大的主机房在电信，其他两个机房部署Redis、MySQL从库，写都在电信。预估的注册在线人数百万级，QPS万级。接口使用PHP-FPM对外服务，单机性能平均500QPS＋，内测邀请制，内测一个月期间十几万人涌入，解决了一些小Bug，然后大家颇有信心迎接公测。
熊猫架构1.0——一只穿云箭，千军万马来相见
这个阶段属于填坑，最主要目标是网站稳定可用。虽然每个服务都有多机房灾备，微服务化也做了较好隔离，但0.1不到一个月便宣告夭折，我们低估了熊猫TV的明星效应，低估了黑色产业链的薅羊毛能力。公测一开始，熊猫就炸了（水友术语，指网站不可用）。
重点问题
- 网站首页和房间页不可用，无法进房间看视频；
- 已经在直播间的用户直播卡、弹幕卡、弹幕发不出去。
分析：网站因注册和用户信息、首页、房间页访问量过大导致FPM进程跑满，接口和模版渲染耦合，本身占的调用时长就会过多，服务间断性不可用，Redis缓存首页推荐位和用户信息只需几百MB，但连接数过多，内存占用到10G＋，导致Redis响应缓慢不可用，垃圾号疯狂注册，第一天便破百万，用户中心出现服务异常，缓存命中率低，进而雪崩。
聊天弹幕爆发，时段非常集中，每日晚8点到凌晨2点为网站高峰时段，如图3所示。
图3 某个Redis端口QPS情况
这些也是直播网站会一直面临的核心稳定性问题，针对这些问题，大架构框架没有变动，加班加点，两周时间就上线了新一版架构优化。
高性能
主站重点接口Lua化：消息限制发送频率，并改造为Lua接口，十倍提速，避免占用主站PHP-FPM资源；赠送竹子也改造为Lua接口；用户中心取用户信息也改为Lua接口，直接从缓存读。
用户ID发号器改造，不依赖MySQL自增ID，提高并发性能。
高可用
首页和房间页静态化，Worker机抓取生成模版，分钟级别更新，然后rsync到各个服务器，Nginx直接读HTML文件生成首页、房间页，其他个人动态信息都走Ajax请求，保证不会出现白屏情况。
重点Redis增加到10＋ Slave，Slave间树型同步，叶子节点从库从上级从库同步，避免一主多从传输数据延迟。从库的增加也避免主库网络负荷和连接数过多，导致响应延迟过大，服务不可用。
核心业务增加部署服务器，应对集中峰值访问。
其他问题解决和功能完善
安全性上：所有80接口做XSS校验，CSRF token防范，对接口做几十道安全检测，防止被拖库，防止Cookie被盗用；反垃圾反盗号反外挂：含敏感词聊天信息过滤，垃圾IP封禁；注册和任务都增加图片验证码，识别机器刷用户刷竹子；房间人气值采用复杂策略，用算法综合判断确认合理性，防刷防挂；主播审核更加严格，身份证银行卡姓名等信息都要求录入，可以追究责任到真人，甚至有视频验证，严防色情内容。
功能上：建立游戏娱乐户外等分类模块，运营自助增加分类；部署并自行运维第三方搜索服务，支持主播昵称、标题、房间号等维度搜索，过滤直播状态、主播地区、封禁状态等条件；礼物系统抽奖投票等系统上线，增加主播收益渠道，增加互动。
优化效果：全年未出现过白页、首页不可访问情况，支撑千万级PV，百万级日活，单房间最高达到百万级在线，视频流量近TB级；接口平均响应时间20ms左右，99.9%在1s内；各个系统数据存储量破千万，MongoDB、SSDB等大容量库很好地支持了业务。
熊猫架构 2.0 － 新视界，大不同
到2.0阶段，初期的刷脸靠战友帮搭建基础服务和买第三方服务，已不能精细化、定制化地支撑业务快速发展，而此时人员配置也开始完善，熊猫TV开始了全新的2.0自主研发阶段。
本阶段也属于稳步发展阶段， 最主要的目标是视频流畅清晰、弹幕互动效果稳定。
视频优化
接入决策上，接入更多家CDN，并对CDN稳定性做指标考核和严要求：根据卡顿率、延迟时间、首屏时间、声音视频同步率等指标，结合运营经验，创建了一套立体化多维度的CDN-SLA体系，决定给予流量多少，主播级别，主播数量。这样也增加CDN的危机感，更好服务用户。
视频流调度互备上，如图4所示。
图4 视频流调度互备上
主播推流区分默认配置和管理员配置，推向对他而言网络状况最好的CDN，CDN自身节点实现各地的复制，CDN之间实现推流互备，一个CDN挂掉，不影响使用，用户根据PC或手机端区分，从对应配置的CDN拉流看视频，从而实现最佳观看效果，Web端用户也可切换备用线路，当默认CDN出现问题，则选择从其他家CDN进行拉流。
这样就保证观看的流畅和视频的整体高可用。
全新开发长连接系统riven来提供弹幕服务
图5 riven 整体流程
建立连接：
- 通过房间ID获取网关IP；
- 根据网关IP建立长连接；
- 更新网关上房间ID和长连接的对应关系。
下发消息：
- 同步消息；
- 生成消息机房对其他机房进行同步；
- 同步消息的机房不在进行同步行为；
- 根据房间ID获取房间所在的网关地址列表；
- 向网关列表下发消息投递通知；
- 网关查询本地房间对应的所有连接，并进行消息投递。
使用Golang＋Redis全新开发，对消息级别、消息发送和消息内容做了一定优化。级别上区分多种Level消息，在高峰期、网卡被打满极端情况下，丢掉部分不重要消息；消息发送进行打包方式发送，一个房间的消息一次批量推送几十条，减少TCP交互；消息内容去掉无用字段，减少长度，例如礼物消息一条减少了168字节，假设高峰期一个房间十万人在线，一条礼物消息能节16MB，大主播房间按1000个礼物一小时算，能节省16GB流量，非常可观，所以一定要注意消息内容的压缩和缩减。
整体架构上的改变：一年以来用户量爆炸式增长，达到日活用户近千万，PV上亿，同时直播主播近万间，流量峰值TB级别。技术人员也扩充了4倍，随着王校长驱动开发、尹素婉驱动开发（尹素婉是韩国第一女主播）、PDD驱动开发（PDD是前职业选手，著名LOL主播，弹幕量大，观众百万）等模式的驱动开发，熊猫快速步入2.0时代，技术架构也有了更稳固的改进，新的PHS（Panda High-Perfomace Service熊猫高性能服务体系）设计思路是增加架构层次，明确微服务边界，基础组件从外部依赖到内部自研，架构层次宏观层面分为端、接入层、平台服务化、中间层、基础层五个层次。
图6 架构层次
- 端
包括Web页、iOS、Android、各种Pad端、网吧弹窗合作、电视盒子合作App、游戏主机合作App，从各个渠道扩展业务。
- 接入层
从大而统一的panda.tv分流出mall.panda.tv、roll.panda.tv、pay.panda.tv、open.panda.tv等，保证各个接入业务互相隔离。接入层stars.panda.tv、pandagirls.panda.tv尝试使用NodeJS提供API，前端完全自行研发，提高效率，性能也比使用我们的Pylon-PHP框架提高了6倍左右，可以满足当前流量请求。
- 平台服务化
架构体系没有太大的变动，主要采用Golang技术栈做了整体升级。流量突发时PHP-FPM子进程新增缓慢，多进程模型切换代价较大，不能较好服务高峰请求，缓存和DB连接池复用困难，我们重点业务从PHP迁移到Golang；部署上，依赖Nginx+LVS探活实现不停机热部署；Gobase基础库，实现了一套特定业务场景Concurrent Map库；实现了配置读取模块；对MongoDB Client进行了封装，便于CRUD方式使用和对象映射；Redis连接池和CRUD操作封装，业务不需要协议命令细节，而是正常Get(key)、Set(key)即可；数据访问层结合配置服务封装分片与路由来支撑容量水平扩展；封装Log、HTTP请求和HTTP Param解析等基础类。
通过对Golang半年的使用，我们建立了自己的一套技术开发体系：Gvt创建项目和管理依赖，Ansible管理服务器和分发部署，Postman进行文档编排和代码测试， Teamcity实现持续集成。
业务上，CDN调度项目TrafficCoop，高性能，灵活配置Web端和移动端CDN信息；API-Proxy项目 ，原生Golang Router，使用OAuth 2.0，提供对外网关，中转内部服务；礼物系统全面使用Golang+Redis+MongoDB保证稳定性和高峰处理。新业务原则需要快速开发，性能要求较低的业务使用PHP，性能要求高的业务用Golang、NodeJS。
用户中心则持续演进：支持FaceBook等账号接入；电话语音验证码防外挂，异地IP重新登录机制防盗，个人身份指纹识别，做到彻底防盗号。另外为提高接口安全性，解决DNS劫持等问题对服务HTTPS化，各业务根据需要跟Ops申请HTTPS证书或SAN（多域名）证书。
- 中间层改进
视频效果优化：接入更多CDN厂商，进行评测对比，及时反馈问题，督促其合理设置缓存值，实现视频播放流畅化。
Flash调整弹幕展现策略：实现既能有满屏感，又不会因同屏弹幕过多卡住浏览器，达到观看和互动的平衡。
文本反作弊：机器学习训练房间弹幕内容，模型上对广告、色情、敏感词、黑白名单等进行打分评定。
增加图片墙鉴黄服务：30秒刷新房间截图，接入多家鉴黄API，合理评分，快速发现直播内容异常。
图床自建：图片存储从Cassandra迁移到公有云对象存储，节省运维成本，直接使用第三方CDN，加速图片访问。
- 基础层
Kafka队列自建：基础组专人开发维护，更快更好解决问题；竹子经验计数、用户关系等从SSDB迁移到Redis Cluster，保证性能无瓶颈，数据量暴增无压力。
Spark Streaming平台搭建：弹幕内容分析与舆情，CDN质量实时监控，用户行为实时感知。
另外一个比较大的架构变动是业务机房迁移。实现了DB迁移，公有云互备。二十多人演练数十次，按照两页的迁移清单，所有业务重新部署，DB重新导入，停机维护一整夜，所有服务从原有机房一次性成功迁移到两个公有云上。
总结
熊猫TV架构改进思路是应对峰值流量高度集中的直播需求，总结几条经验：
- 不能依赖单个CDN。可自建，可用第三方，但中国网络环境太复杂，必须高度重视容灾。海外推拉流也需要十分关注。
- 弹幕消息一定要做策略优化。广播蝴蝶效应明显，峰值可能将机房整体带宽打满。区分弹幕优先级，做好降级预案。
- 提高金钱敏感度。直播网站由于有很清晰的变现模式，要严防褥羊毛，严防色情内容，火速响应监管，支付礼物交互一定是高可用、严监控。
- N个大主播 ＝ 半个网站峰值。必须考虑某些特殊主播的火爆人气，做好视频弹幕房间信息上的峰值应对。
熊猫TV因快速上线和爆炸式增长，从严重依赖外部服务，到自主自建核心业务，弯路走了不少，也对直播技术有了更深的理解，积累了丰富的经验，技术团队也从20人左右快速扩展到百人团队，为熊猫TV在百家直播平台中挺立飞奔奠定了技术基础。未来我们会在以下方面继续努力：
- 自助式运营处理：帮助运营自助处理问题，直接和CDN对接，帮助技术人员从简单重复问题处理中脱身。
- 反作弊：基于大数据处理体系的用户画像、设备画像、IP画像、内容画像，多维度构建反垃圾反盗号功能 。
- 长连优化：支撑千万用户在线的高并发实时弹幕和聊天。
- 礼物商城：优化计数对账，幂等处理整个支付到特效抽奖、弹幕消息、消费记录、统计等流程。
- Golang、NodeJS服务化：替代性能较差需要各种优化的PHP，服务端接口全面Golang化，前端也在合适的场景使用NodeJS提高服务性能。此外需针对KV存储做value压缩，节省流量，提高接口速度。
- 数据挖掘和机器学习：渠道分析、用户分析等便于产品和高层决策，甚至开发出机器人主播互动。
- 推荐：在综艺化娱乐化多元化的内容基础上，个性化推荐用户感兴趣的直播内容。
- 搜索：自建搜索，从用户维度、聊天维度更好服务用户。
- 日志收集分析：高性能日志方案探索，更快更迅速发现业务问题，分析流量变化。
- 广告系统：友好娱乐化的广告展现，精准推送，严禁的计费系统。
- 支付：国际化支持，多种银行卡信用卡接入，多种货币支持。
- NewSQL：引入TiDB等新SQL技术到某些业务，替换Redis、MongoDB、MySQL，更方便友好地进行技术开发。
直播面临的核心问题是网站稳定可用、视频流畅清晰、弹幕互动效果稳定。直播技术看似简单，一家视频云可以帮助创业公司一两个月就构建出一个直播App，但其中的运营难点、技术难点、流量带宽问题都需要谨慎处理，希望本文能帮助直播行业技术人员跳过一些坑，架构设计时作为技术参考。
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