一个海量在线用户即时通讯系统（IM）的完整设计

1 服务器端设计

1.1 总体架构

总体架构包括5个层级，具体内容如下图。

1.1.1 用户端

移动端重点是移动端，支持IOS/Android系统，包括IM App，嵌入消息功能的瓜子App，未来还可能接入客服系统。

1.1.2 用户端API

针对TCP协议，提供IOS/Android开发SDK。对于H5页面，提供WebSocket接口

1.1.3 接入层

接入层主要任务是保持海量用户连接（接入）、攻击防护、将海量连接整流成少量TCP连接与逻辑层通讯。

1.1.4 逻辑层

逻辑层负责IM系统各项功能的核心逻辑实现。包括单聊（c2c）、上报(c2s)、推送(s2c)、群聊(c2g)、离线消息、登录授权、组织机构树等等内容。

1.1.5 存储层

存储层负责缓存或存储IM系统相关数据，主要包括用户状态及路由（缓存），消息数据（MySQL也可采用NoSql，如MangoDB），文件数据（文件服务器）。

1.2 逻辑结构

1.2.1 核心结构

核心结构部分描述IM系统核心组件及其关系。结构图如下。

客户端从Iplist服务获取接入层IP地址（也可采用域名的方式解析得到接入层IP地址），建立与接入层的连接（可能为短连接），从而实现客户端与IM服务器的数据交互；业务线服务器可以通过服务器端API建立与IM服务器的联系，向客户端推送消息；客户端上报到业务服务器的消息，IM服务器会通过mq投递给业务服务器。

1.2.2 tcp接入核心流程

1.2.2.1 登录授权(auth)

1、客户端通过统一登录系统实现登录，得到token。

2、客户端用uid和token向msg-gate发起授权验证请求。

3、msg-gate同步调用msg-logic的验证接口

4、msg-logic请求sso系统验证token合法性

5、msg-gate得到登录结果后，设置session状态，并向客户端返回授权结果。

1.2.2.2 登出(logout)

1、客户端发起logout请求，msg-gate设置对应Peer为未登录状态。

2、Msg-gate给客户端一个ack响应。

3、Msg-gate通知msg-logic用户登出。

1.2.2.3踢人(kickout)

用户请求授权时，可能在另一个设备（同类型设备）开着软件处于登录状态。这种情况需要系统将那个设备踢下线。

1-5步，参看Auth流程。

6、Logic检索Redis，查看是否该用户在其他地方登录。

7、如果在其他地方登录，发起kickout命令。（如果没有登录，整个流程结束）

8、Gate向用户发起kickout请求，并在短时间内（确保客户端收到kickout数据）关闭socket连接。

1.2.2.4 上报(c2s)

 

1、客户端向gate发送数据

2、Gate回一个ack包，向客户端确认已经收到数据

3、Gate将数据包传递给logic

4、Logic根据数据投递目的地，选择对应的mq队列进行投递

5、业务服务器得到数据

1.2.2.5推送(s2c)

1、业务线调用push数据接口sendMsg

2、Logic向redis检索目标用户状态。如果目标用户不在线，丢弃数据（未来可根据业务场景定制化逻辑）；如果用户在线，查询到用户连接的接入层gate

3、Logic向用户所在的gate发送数据

4、Gate向用户推送数据。（如果用户不在线，通知logic用户不在线）

5、客户端收到数据后向gate发送ack反馈

6、Gate将ack信息传递给logic层，用于其他可能的逻辑处理（如日志，确认送达等）

1.2.2.6单对单聊天(c2c)

1、App1向gate1发送信息（信息最终要发给App2）

2、Gate1将信息投递给logic

3、Logic收到信息后，将信息进行存储

4、存储成功后，logic向gate1发送ack

5、Gate1将ack信息发给App1

6、Logic检索redis，查找App2状态。如果App2未登录，流程结束

7、如果App2登录到了gate2，logic将消息发往gate2

8、Gate2将消息发给App2（如果发现App2不在线，丢弃消息即可，这种概率极低，后续离线消息可保证消息不丢）

9、App2向gate2发送ack

10、Gate2将ack信息发给logic

11、Logic将消息状态设置为已送达。

注：在第6步和第7步之间，启动计时器（DelayedQueue或哈希环，时间如5秒），计时器时间到后，探测该条消息状态，如果消息未送达，考虑通过APNS、米推、个推进行推送

1.2.2.7 群聊(c2g)

采用扩散写（而非扩散读）的方式。

群聊是多人社交的基本诉求，一个群友在群内发了一条消息：

（1）在线的群友能第一时间收到消息

（2）离线的群友能在登陆后收到消息

由于“消息风暴扩散系数”的存在，群消息的复杂度要远高于单对单消息。

群基础表：用来描述一个群的基本信息

im_group_msgs(group_id, group_name,create_user, owner, announcement, create_time)

群成员表：用来描述一个群里有多少成员

im_group_users(group_id, user_id)

用户接收消息表：用来描述一个用户的所有收到群消息（与单对单消息表是同一个表）

im_message_recieve（msg_id,msg_from,msg_to, group_id，msg_seq, msg_content, send_time, msg_type, deliverd, cmd_id）

用户发送消息表：用来描述一个用户发送了哪些消息

im_message_send (msg_id,msg_from,msg_to, group_id，msg_seq, msg_content, send_time, msg_type, cmd_id)

业务场景举例：

（1）一个群中有x,A,B,C,D共5个成员，成员x发了一个消息

（2）成员A与B在线，期望实时收到消息

（3）成员C与D离线，期望未来拉取到离线消息

群聊流程如下图所示

1、X向gate发送信息（信息最终要发给这个群，A、B在线）

2、Gate将消息发给logic

3、存储消息到im_message_send表，按照msg_from水平分库

4、回ack

5、回ack

6、Logic检索数据库（需要使用缓存），获得群成员列表

7、存储每个用户的消息数据（用户视图），按照msg_to水平分库(并发、批量写入)。

8、查询用户在线状态及位置

9、Logic向gate投递消息

10、Gate向用户投递消息

11、App返回收到消息的ack信息

12、Gate向logic传递ack信息

13、向缓存（Hash）中更新收到ack的时间。然后在通过一个定时任务，每隔一定时间，将数据更新到数据库（注意只需要写入时间段内有变化的数据）。

1.2.2.8拉取离线消息

下图中，将gate和logic合并为im-server。拉取离线消息流程如下。 

1、App端登录成功后（或业务触发拉取离线消息），向IM系统发起拉离线消息请求。传递3个主要参数，uid表明用户；msgid表明当前收到的最大消息id（如果没收到过消息，或拿不到最大消息id则msgid=0）即可；size表示每次拉取条数（这个值也可以由服务器端控制）。

2、假设msgid==0，什么都不做。（参看第6步骤）

3、Im-server查询用户前10条离线消息

4、将离线消息推给用户。假设这10条离线消息最大msgid=110。

5、App得到数据，判断得到的数据不为空（表明可能没有拉完离线数据，不用<10条做判断拉完条件,因为服务端需要下下次拉离线的请求来确定这次数据已送达），继续发起拉取操作。Msgid=110(取得到的离线消息中最大的msgid)。

6、Im-server删除该用户msgid<110的离线消息（或者标记为已送达）。

7、查询msgid>110的钱10条离线数据。

8、返回给App

……

N-1、查询msgid>140的离线数据，0条（没有离线数据了）。

N  、将数据返回App，App判断拉取到0条数据，结束离线拉取过程。

1.2.3 PUSH

ISO采用APNS；Android真后台保活，同时增加米推、个推。

基本思路：push提示信息，App通过拉离线获得真实消息。

另附文档说明此问题。

2 协议设计

2.1 TCP数据协议

TCP的数据协议如下图所示。包括header和body两部分。

消息头总共20个字节，具体信息如下表。

2.2TCP消息体设计

消息体协议采用ProtocolBuffer（谷歌）协议，版本3.0.0，该协议在序列化效率、压缩、可扩展方面都具有优势。协议条目见附录11.1.1TCP协议命令清单。以下为主要流程涉及的协议

2.2.1 认证(auth) 

2.2.2 登出(logout) 

2.2.3 踢人(kickout) 

2.2.4 心跳（keepalive,noop）

心跳包消息体为空。

2.2.5单对单聊天（c2c） 

2.2.6群聊（c2g）

2.2.7拉离线（pull）

2.2.8控制类（ctrl）

 

3 存储设计

3.1MySQL数据库

MySQL数据库采用utf8mb4编码格式（emoji字符问题）

3.1.1主要表结构

3.1.1.1发送消息表

保存某个用户发送了哪些消息，用于复现用户聊天场景（消息漫游功能需要）。

3.1.1.2推送消息表

保存某个用户收到了哪些消息

3.1.1.3群相关表

群基本信息表

群用户关系表

3.1.2 水平分库

3.2Redis缓存

3.2.1用户状态及路由信息

Redis缓存以uid为key，检索channel(socketid)，last_packet_time等。

Gate层，session以channel(socketed)为key，检索uid，及其他信息。

交互接口：gate->logic，通过将channel转换为uid作为key。

logic->gate，将uid转换为channel作为key。

3.2.2其他缓存信息

你觉得该怎么存就怎么存。

3.3文件及图片存储

采用商用云存储。

3.4数据归档

可考虑采用HBase,HDFS作为数据归档，或者相关云存储服务。

安全部分略，其他非核心功能略

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