互联网工程实践:这套分布式IM即时通讯系统,是如何做到弹性扩缩容的?

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当IM即时通讯服务接收到消息后,此时用户掉线,或者用户不在线,向用户推送消息就会失败,或者未查询到用户与IM即时通讯服务建立的连接,就不会向用户推送消息。

分布式IM即时通讯系统本质上就是对线上聊天和用户的管理,针对聊天本身来说,最核心的需求就是:发送文字、图片、文件、语音、视频、消息缓存、消息存储、消息未读、已读、撤回,离线消息、历史消息、单聊、群聊,多端同步,以及其他一些需求。

对用户管理来说,存在的需求包含:添加好友、查看好友列表、删除好友、查看好友信息、创建群聊、加入群聊、查看群成员信息、退出群聊、修改群昵称、拉人进群、踢人出群、解散群聊、填写群公告、修改群备注以及其他用户相关的需求等。

注:拿小本子记录下,后续可以写到简历上的整合了OpenAI大模型的分布式IM即时通讯系统,从此,简历上又多了一个可以拿的出手的高并发、高性能、高可用、可监控、可预警、可伸缩,支持高可扩展的真实业务场景项目。

一、前言

为了能够让小伙伴们更好的理解分布式IM即时通讯系统的设计,我们站在架构师的角度,在充分了解系统需求,业务流程和技术流程后,从全局视角为系统设定方案目标,对技术方案进行选型,对系统进行总体架构设计和分层架构设计,并梳理清楚发送消息的交互链路、单聊和群聊的交互链路。以方便各位小伙伴将分布式IM即时通讯系统写到自己的简历中,增强自己的竞争力。

二、方案目标

在进行技术选型与总体架构设计之前,需要明确一个事项,就是系统无论采用哪种方案,采用哪种架构设计都需要明确这种方案的业务目标、技术目标和架构目标,并在研发过程中不断评估系统的总体性能表现,发现系统瓶颈并不断进行优化。

总体上,我们搭建和开发的分布式IM即时通讯系统,需要满足如下方案目标。

  • 业务目标:满足需求设计篇章中的各类需求场景。
  • 技术目标:支持无限扩容,百万用户同时在线聊天。
  • 架构目标:高并发、高性能、高可用、可监控、可预警、可伸缩,支持无限扩展。

三、技术选型

在技术选型上,除了采用SpringBoot等基础框架外,也会采用容器化方案。同时,考虑到为了尽量降低技术门槛,在整个分布式IM即时通讯系统的技术选型中,主要采用市面上比较流行的技术框架和方案,具体选型如下所示。

  • 开发框架:SpringBoot、SpringCloud、SpringCloud Alibaba、Dubbo。
  • 缓存:Redis分布式缓存+Guava本地缓存。
  • 数据库:MySQL、TiDB、HBase。
  • 流量网关:OpenResty+Lua。
  • 业务网关:SpringCloud Gateway + Sentinel。
  • 持久层框架:MyBatis、Mybatis-Plus。
  • 服务配置、服务注册与发现:Nacos。
  • 消息中间件:RocketMQ。
  • 网络通信:Netty。
  • 文件存储:Minio。
  • 日志可视化治理:ELK。
  • 容器化管理:Swarm、Portainer。
  • 监控:Prometheus、Grafana。
  • 前端:Vue。
  • 单元测试:Junit。
  • 基准测试:JMH。
  • 压力测试:JMeter。

四、系统初步架构设计

对于IM即时通讯系统来说,涵盖了即时通讯后端服务、大后端平台、SDK接入服务、OpenAI接入服务、大前端UI,我相信不少小伙伴多多少少能够画出IM即时通讯系统的架构图,大致如图1-1所示。

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其实,这种这种架构设计也比较常见,在这种架构设计中,Kong/Openresty/Nginx只做负载均衡和反向代理,研发人员更多的是关注业务层和基础层的开发,流量比较小时,这种架构设计一般不会有什么问题。但是一旦流量比较大,用户调用后端平台的接口发送消息时,即时通讯SDK同步调用即时通讯服务的接口就会出现性能问题。

因为每个终端同时只能与一个IM即时通讯服务实例建立连接,如果大量的用户终端恰好都与一个IM即时通讯服务建立连接,那即时通讯SDK频繁同步调用同一个IM即时通讯服务的接口就会出现性能瓶颈。此时,出现性能瓶颈时,不仅仅会影响到IM即时通讯服务,也会对后端平台接收请求的业务造成一定的影响。

五、系统架构设计优化

既然图1-1所示的架构设计存在性能瓶颈,那我们如何进行优化呢?为此我们在如1-1的基础上进行了优化,优化后的架构如图1-2所示。

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对比图1-1和图1-2可以看出,在屏蔽掉技术实现细节的前提下,我们将对业务的校验和流量管控进行前置化,放大Kong/OpenResty/Nginx的职责,使得这些软件不仅具备反向代理和负载均衡的功能,还能实现限流、黑白名单、流量管控、业务校验等功能。

也就是说,在这种架构模式下,我们充分发挥了整个分布式IM即时通讯系统的入口职责,充分利用Kong/OpenResty/Nginx的高并发、高吞吐量的能力,尽量将大部分无效请求挡在整个系统之外。例如,用户在没登录系统的前提下,就尝试调用发送消息、添加好友、添加群组等等接口。这样会大大减轻后台平台的业务压力。

除了在Kong/OpenResty/Nginx中实现限流、黑白名单、流量管控、业务校验等功能外,我们还引入了业务网关集群,实现限流、降级、熔断、流控、校验、鉴权等功能,进一步保证下游系统的稳定性和安全。

为了解决大量用户终端恰好连接到同一个IM即时通讯服务实例,IM即时通讯SDK频繁调用同一个IM即时通讯服务实例的接口造成的性能问题。我们在IM即时通讯服务SDK与IM即时通讯服务之间引入了RocketMQ集群。

IM即时通讯服务集群中的每一个IM即时通讯服务实例在集群中都有一个唯一的ID,并且每个IM即时通讯服务实例在启动后,只会监听RocketMQ中与自身ID相关的Topic。这样每个IM即时通讯服务只会收到与自身ID相关的Topic中的消息,不会接收所有的消息。

当用户登录系统后,就会与IM即时通讯服务建立长连接,并且会以用户ID和终端为Key,以IM即时通讯服务的ID为value,将其存储到分布式缓存中。同时,会以用户ID和终端为Key,以用户终端与IM即时通讯服务建立的长连接为value,将其存储到IM即时通讯服务本地内存中。

当用户调用后端平台的接口发消息时,会带上目标用户的ID,并且在IM即时通讯SDK中会指定用户登录的终端设备,最终会通过IM即时通讯SDK向RocketMQ发送消息。

此时IM即时通讯SDK会根据目标用户ID和终端从分布式缓存中获取目标用户连接的IM即时通讯服务的ID,并向此ID相关的Topic发送消息。此时与目标用户建立长连接的IM即时通讯服务就会接收到RocketMQ中的消息,随后根据用户ID和终端从本地缓存中获取到与用户终端建立的长连接,并基于此长连接向用户推送消息。

另外,在实际实现中,为了避免大量用户同时只连接IM即时通讯服务集群中的某一个服务实例,会对用户连接的IP、浏览器指纹、手机设备等做Hash和取模运算,使其尽量均匀分布到集群中的每一个服务实例上。

那么问题来了:这种架构设计还有进一步优化的空间吗?

六、容器化架构设计

为进一步增强分布式IM即时通讯系统的性能、可用性和弹性伸缩能力,我们可以对分布式IM即时通讯系统进行容器化架构设计,如图1-3所示。

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可以看到,我们对分布式IM即时通讯系统的架构设计进行了进一步优化,采用了容器化架构设计。在原有架构的基础上,我们进行了如下改进和优化。

(1)基础支撑服务

基础支撑服务会由各种基础中间件、数据存储服务、以及监控服务实现,包含:MySQL数据库、TiDB数据库、HBase、Redis缓存、RocketMQ消息队列、Prometheus监控和Portainer容器管理等基础中间件实现,基础支撑服务会对整个分布式IM即时通讯系统提供最基础的数据、传输、监控和容器管理等服务。

(2)容器化

在容器化层面,会通过Docker、Swarm和Portainer实现,其中,会基于Swarm和Portainer对容器化进行管理。

(3)其他基础性功能实现

除了上述分层架构外,对于建设分布式IM即时通讯系统来说,还要考虑异常监控、服务注册与发现、可视化、服务降级与兜底数据、服务限流、服务容灾、容量规划与扩缩容和全链路压测等。

七、DDD分层业务架构设计

在分布式IM即时通讯系统中,不管是大后端平台,还是IM即时通讯服务,我们都会对业务层的代码采用分层业务架构,这里,可以借鉴DDD的分层架构思想,将代码总体上分成展示层、应用层、领域层和基础设施层四个层次,但是,考虑到分布式IM即时通讯系统的特殊性,又不会严格按照DDD的原则来设计代码分层,具体按照如图1-4所示。

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可以看到,分布式IM即时通讯系统会借鉴DDD的设计思想,但是不会完全按照DDD的方式进行设计。

(1)展示层

展示层,也叫做用户UI层,是DDD设计的最上层,对外提供API接口,接收客户端请求,解析参数,返回结果数据,并对异常进行处理。

(2)应用层

应用层,也叫做Application层,应用层主要处理容易变化的业务场景,可对相关的事件、调度和其他聚合操作进行相关的处理。

(3)领域层

领域层,也叫做Domain层,领域层可以说是DDD设计的精髓所在,它是将业务系统中相对不变的部分抽象出来封装成领域模型。

在分布式IM即时通讯系统的设计中,领域层基本不会依赖其他层,也不会依赖基础设施层,这里是与DDD设计存在区别的地方。

(4)基础设施层

基础设施层,也叫做Infrastructure层,基础设施层会对其他各层提供通用的基础能力,在分布式IM即时通讯系统中,就包括了缓存、通用工具类、消息、系统的持久化机制等。

八、发送消息交互链路

在分布式IM即时通讯系统中,我们忽略掉其他一些细节信息,重点关注下发送消息的交互链路逻辑。不管是单聊还是群聊,最终都需要通过IM即时通讯服务将消息推送给用户的终端。此时发送消息的流程如图1-5所示。

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可以看到,用户在分布式IM即时通讯系统发送消息时,不管是单聊还是群聊,最终的消息都会推送到用户登录的终端设备上。假设此时用户A给用户B发送消息,或者用户A和用户B在同一个群组,用户A向群组发送消息,用户B接收消息的主要流程如下。

(1)用户A调用后端平台的接口向用户B发送消息,并且发送的消息中会带有用户B的ID以及终端信息。

(2)后端平台将消息缓存起来,并且会将消息异步写入消息库。

(3)后端平台从Redis中获取用户B连接的IM即时通讯服务的ID。

(4)后端平台获取到用户B连接的IM即时通讯服务的ID后,会向RocketMQ中用户B连接的IM即时通讯服务ID对应的Topic发送消息。

(5)IM即时通讯服务会监听自身服务ID对应的RocketMQ中Topic的消息,此时,用户B连接的IM即时通讯服务会接收到消息。

(6)IM即时通讯服务接收到消息后,会根据用户B的ID以及终端信息从缓存中获取用户B与IM即时通讯服务建立的连接,并且通过这个连接向用户B推送消息。

要实现如上发送消息的流程,前提是要满足如下条件。

(1)后端平台满足分布式条件,可随时横向扩展。

(2)IM即时通讯服务满足分布式条件,可随时横向扩展。

(3)每个启动的IM即时通讯服务实例在集群中都有一个唯一的ID。

(4)每个IM即时通讯服务,都只监听自身ID对应的RocketMQ中Topic的消息。

(4)用户登录分布式IM即时通讯系统后,会与IM即时通讯服务建立长连接,并且会根据用户ID和所在的终端缓存长连接,同时会根据用户ID和所在的终端将连接的IM即时通讯服务的ID缓存到Redis。

(6)用户发送消息时,会根据目标用户的ID和终端从Redis中获取IM即时通讯服务的ID,进而向当前IM即时通讯服务的ID对应的RocketMQ的Topic发送消息。

(7)对应的IM即时通讯服务监听并接收到RocketMQ消息后,会根据目标用户的ID和终端从缓存中获取到用户的连接信息,向目标用户推送消息。

九、单聊交互链路

单聊就是在分布式IM即时通讯系统中,一个用户直接与另外一个用户聊天,也就是一对一的聊天。在这种场景下,很有可能单聊的两个用户中,出现用户不在线的情况。

例如,用户A给用户B发送消息时,用户B可能不在线。此时,我们就需要将用户A向用户B发送的消息存储起来。其实,在我们实现的分布式IM即时通讯系统中,无论把用户B是否在线,都会存储消息记录。当用户B登录系统后,将消息同步给用户B,如图1-6所示。

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可以看到,用户A向用户B发送消息时,如果用户B在线,就可以按照发送消息的交互链路向用户B发送消息了。如果用户B不在线,此时就无法向用户B正常推送消息。当用户B登录分布式IM即时通讯系统后,就会调用后端平台的接口拉取所有未读消息,并通过用户B在线流程向用户B推送消息。

十、群聊交互链路

群聊就是在分布式IM即时通讯系统中,多个用户在同一个群组中进行聊天,此时在发送消息时,我们可以通过群组ID找出群内所有在线的用户,将消息即时发送给在线的用户。那些未在线的用户就按照单聊未在线的用户进行处理,如图1-7所示。

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可以看到,群聊的交互链路流程如下所示。

(1)用户调用后端平台的接口向群组发送消息。

(2)后端平台将消息缓存并异步写入消息库。

(3)由于是向群组发送消息,群里有多个用户,此时就会从Redis中获取所有用户连接的IM即时通讯服务ID列表。

(4)对用户按照服务ID分组,将相同服务ID下的用户分在同一个逻辑分组里,方便后续推送消息,并且会记录未在线的用户列表。

(5)循环向每个服务ID对应的RocketMQ中的Topic发送消息。

(6)广播处理未在线用户的未读消息ID。

(7)IM即时通讯服务会监听自身服务ID对应的Topic,会随时接收推送到自身服务的消息。

(8)当IM即时通讯服务接收到消息后,此时用户掉线,或者用户不在线,向用户推送消息就会失败,或者未查询到用户与IM即时通讯服务建立的连接,就不会向用户推送消息。

(9)当用户登录分布式IM即时通讯系统后,会从后端平台拉取历史(离线)消息,并通过用户在线的流程,向用户推送消息。

责任编辑:武晓燕 来源: 冰河技术
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