深度 | Web 3.0时代去中心化IM 的挑战与思考

前言

Web3.0时代的重要特点：

1、数据主权

用户将拥有自己的数据主权，用户所创造的数字内容，所有权和控制权都归属于用户，用户所创造的价值可以由用户自主支配。对于IM业务，就是用户的好友列表，聊天消息等数据属于用户，不属于任何商业机构。

2、去中心化

这个业务网络不被任何人和组织所控制，任何人和组织都可以参与这个网络，随时都可以加入和退出，为全网用户提供服务。用户不属于任何组织，组织是服务提供者不是用户的拥有者。

基于以上Web3.0两个特点，可以推导出Web3.0对IM的技术需求：

1.、动态网络：网络服务节点是动态的，全球任何一个地方的节点都可以随时加入和退出网络，任何节点的崩溃和退出都不影响网路正常运作。

2.、数据安全：用户数据必须是加密的，聊天消息要支持端到端加密安全，服务节点只做存储与转发，无法查看聊天消息和好友列表等数据内容。

这些需求对技术架构和实现具有非常大的挑战。

第2点需求意味着需要支持动态扩容和索容。大家都知道，传统web2.0技术是基于中心化的，服务器规格统一，性能都比较好，服务器之间的网络延迟极小一般在1毫秒以下，集群出口带宽可达到千兆甚至万兆。即使是在这么好的条件下，动态平滑地扩容和缩容，服务平稳运行都不是一件容易的事情。在去中心化环境中，参与网络的节点的性能，配置，可靠性，网络带宽等参差不齐，机器随时都可能关机，网络随时都可能断开，甚至还可能存在一些恶意节点，发送恶意数据影响网络正常运行。这些因素都是在设计和实现去中心化IM所要面对和考虑的，当然从另一个角度来看，如果这些问题都能得到解决，解决方案也可能反过来应用到中心化服务架构中，增强中心化服务的稳定性和鲁棒性。

在传统web2.0技术架构中，异地多活是一座高峰，是高可用服务架构的极致追求。从某种程度上来说，异地多活已经接近去中心化架构，所以我们先来重温一下异地多活架构，看看有哪些方面可以借鉴的。

图片引用自 《搞懂异地多活，看这篇就够了》

异地多活的思路和关键点：

• 提供一个路由层，对用户按地域或哈希把用户分配到某个机房

• 同一个用户的相关请求，只在一个机房内完成所有业务「闭环」，不再出现「跨机房」访问

• 机房之间互为热备份，每个机房都保存所有用户全量数据

• 当某个机房发生灾难时，备份机房的从库升级成主库，并在路由层切换用户到备份机房

异地多活的思路对于去中心化架构是非常具有借鉴意义的，可以把机房看成是一个节点，当无数个机房（节点）组成一个网络时，异地多活架构就泛化成了去中心化架构。

当然量变引发质变，当节点足够多时，传统的异地多活技术已经不能直接适用于去中心化架构，必须经过改进和改造才能为去中心化架构所采用。去中心化架构是另一座更高的山峰。

路由网络

路由网络的作用类似于异地多活中的路由层，提供了资源和服务发现（discovery）的服务。比如对于用户张三，我们需要知道当前服务张三的节点到底在哪里。一个直观的方案，是一个一个节点地问（查找），效率低下。在去中心化架构中，常用的路由发现技术是Gossip协议和Kademlia网络。

Gossip协议

Gossip协议的灵感来自于“好事不出门坏事传千里”，“办公室里的流言蜚语很快就传遍全公司”。比如张三连接的节点1随机向临近节点广播“张三在节点1上”， 临近节点再随机向它的临近节点广播，即一传十，十传百，消息很快传遍全网，所有节点都知道“张三在节点1上”。反过来，如果节点2不知道张三在哪里，它可以向全网询问“张三在哪里”，在传播的过程中，如果有节点指知道张三的地址，立即向节点2返回张三地址，结束查询过程。Gossip不是一个新的东西，大家熟知的redis集群采用了Gossip协议。

Gossip的优点是对网络的连通性和稳定性几乎没有任何要求，具有极强的鲁棒性。缺点是网络中的消息太多，而且有重复消息，增加了网络传输压力和节点的额外处理负载。

Kademlia网络

Kademlia是一种分布式哈希表（DHT）技术，被广泛应用于去中心化产品中，比如大家熟知的以太坊，磁力下载等。Kademlia 把成千上万个节点构成一个自我组织的网络，用户可以使用这个网络快速查找定位到资源。关于Kademlia技术在网络上能找到很多相关文章，但大多数都拘泥于细节中，这里简单介绍Kademlia的原理，能解决什么问题，至于详细原理请自行搜索其他文章。

1. Kademlia网络是一个索引网络，解决的是如何快速定位资源位置的问题

2. 每个资源都有唯一的哈希值

3. 每个节点都有唯一的哈希值

4. Node-900拥有一个资源，资源的哈希值是100

5. Node-900 把资源发布到与资源哈希值最近的Node-100（距离等于0）

6. Node-100的记录了一条目录，“哈希100的资源保存在Node-900上”

7. Node-800 想要访问资源-100，通过哈希值找到Node-100，再根据目录访问Node-900找到资源

8. 目录数据的高可用与冗余

a. 资源拥有者Node-900发布到距离资源最近的k个节点，比如 Node-99（距离为1），Node-100（距离为0），Node-102（距离为2）

b. 同样地，访问者访问距离资源最近的k个节点获取目录

c. 因为网络节点不断地上线下线，距离资源最近的k个节点集合会不断变化，所以资源拥有者Node-900 要周期性地发布资源，比如Node-100下线后，k个节点集合变成 Node-99（距离为1），Node-102（距离为2），Node-103（距离为3）

9. Kademlia的距离是逻辑距离，不是物理距离，两个逻辑距离很近的节点，物理上可能相隔很远。

消息顺序

IM 的核心功能是消息收发。在中心化架构中，所有上行消息通常都会归拢到一个地方，所以消息先后顺序由中心化来保证。但在去中心化架构中，上行消息可能是从不同的节点过来的，接收消息顺序可能会乱序。具体例子：

C先收到B的消息，后收到A的消息，导致最终C的聊天记录和A/B的不一样。

解决方案：

• 时间戳

每条消息都打上一个时间戳，在接收端根据时间戳排序。但是去中心化网络中，节点间的时钟不可能完全同步，仍然存在先后顺序错乱的可能性。

• 依赖消息

每条消息都带有依赖消息Id，表示当前消息排在依赖消息之后。客户端在收到一条消息后，先检查其依赖消息是否都已经收到并且上屏，如果没有收到则先暂存消息，直到所有依赖消息上屏。此方案的缺点是增加客户端处理消息的复杂度。

端到端加密

因为任何人都可以加入去中心化IM网络，任何节点都可能接触到消息，所以为了隐私和安全，消息必须是端到端加密的。常用的端到端加密方案是Diffie–Hellman 密钥交换协议（DH），可以使通讯双方无需预先沟通，在不安全的网络中即可确定一个“协商密钥”，这个密钥可以在后续的通讯中作为对称密钥来加密消息内容，这样避免了双方网上协商密钥带来的泄露风险。

从图中可以看出在网络上传输的是公钥，真正用来加密的“对称密钥S”是计算出来的，并没有通过网络传输，非常安全。但是如果所有消息都用同一个对称密钥S，一旦S被破解得到则所有消息都会被破解。最好的办法是每条消息都用不同的密钥，即一消息一密钥。

• 通过密钥函数计算得出消息密钥

• 密钥函数通常为不可逆函数，即知道输出很难反向计算出输入，比如大家熟知的哈希函数就是不可逆函数

• 密钥函数的输出被分为链密钥和消息密钥两部分，链密钥作为下一次密钥函数的输入，消息密钥用来加密消息

• 重复这个过程，即链式反应

链式反应生成的密钥虽然很安全，但带来一个新的问题，即如何读取历史消息。读取历史消息通常是从某条消息开始拉去n条消息。从上图可以看出，要想得到“消息密钥2”，必须从初始密钥开始计算2次才能得出，如果要得到“消息密钥10000”，则要计算10000次才能得出，显然这样做的效率非常低下。

推送

推送是IM业务里比较重要的功能，在app退到后台或者被杀死，仍然可以通知到客户。在去中心化IM架构中，因为消息是端到端加密的，节点在给app发送推送时，只有提醒“您有一条新消息”，不会有消息内容。这是在隐私保护与用户体验之间的妥协与平衡。

开源现状

目前在开源社区比较接近去中心化IM理念的产品matrix。

matrix的特性：

• 每个用户都有归属于一个Home Server，用户名格式@user:domain，比如 @Alice:163.com , 跟e-mail邮箱名很类似

• Home Server之间采用联邦式协议，Matrix网络由分布在世界各地，由不同个人和组织运营的服务器组成，因此Matrix协议不容易被单个组织垄断

• 私聊和群聊是端到端加密的，所有聊天内容加密存储、加密传输。Home Server无法看到用户的聊天内容

• 默认使用HTTPS+JSON APIs作为传输协议

• 可以通过Bridge与 Telegram, Discord, WhatsApp, Facebook, Hangouts, Signal 互通

• 支持通过WebRTC进行音视频通话

matrix的缺点：

-用户ID（地址）成本高，因为 @Alice:matrix.com 带有域名后缀，如果用户想拥有永久Id，必须购买域名。如果使用SP的域名，则用户Id本身并不被用户所拥有，这跟web3的理念是相违背的。

- matrix是 https + json，优点是容易理解，缺点是占用更多带宽，并且在序列化和反序列化时会消耗更多的cpu。

- Home Server之间是全连接（full mesh）方式，当参与的Home Server比较多时，比如有上千甚至上万个Home Server时，Server之间的连接消耗会导致性能急剧下降。

总的来说 matrix 更像是一个去中心化的e-mail，距离真正的去中心化还有一些差距。

目前Web3的技术创新和变革也是风起云涌，不断有新的算法和架构出现。环信作为国内IM云服务的开创者，在设计下一代IM技术架构时，也在积极借鉴和探索这些前沿技术，为我们的客户提供稳定、可靠、专业、低成本高质量的IM服务，为客户赋能和创造更多的价值。