为自己搭建一个分布式 IM(即时通讯) 系统

前言

大家新年快乐！

新的一年第一篇技术文章希望开个好头，所以元旦三天我也没怎么闲着，希望给大家带来一篇比较感兴趣的干货内容。

老读者应该还记得我在去年国庆节前分享过一篇《设计一个百万级的消息推送系统》；虽然我在文中有贴一些伪代码，依然有些朋友希望能直接分享一些可以运行的源码；这么久了是时候把坑填上了。

本文较长，高能预警；带好瓜子板凳。

于是在之前的基础上我完善了一些内容，先来看看这个项目的介绍吧：

CIM(CROSS-IM) 一款面向开发者的 IM(即时通讯)系统；同时提供了一些组件帮助开发者构建一款属于自己可水平扩展的 IM 。

借助 CIM 你可以实现以下需求：

• IM 即时通讯系统。
• 适用于 APP 的消息推送中间件。
• IOT 海量连接场景中的消息透传中间件。

完整源码托管在 GitHub : https://github.com/crossoverJie/cim

演示

本次主要涉及到 IM 即时通讯，所以特地录了两段视频演示（群聊、私聊）。

点击下方链接可以查看视频版 Demo。

YouTube	Bilibili
群聊 私聊	群聊 私聊

也在公网部署了一套演示环境，想要试一试的可以联系我加入内测群获取账号一起尬聊😋。

架构设计

下面来看看具体的架构设计。

• CIM 中的各个组件均采用 SpringBoot 构建。
• 采用 Netty + Google Protocol Buffer 构建底层通信。
• Redis 存放各个客户端的路由信息、账号信息、在线状态等。
• Zookeeper 用于 IM-server 服务的注册与发现。

整体主要由以下模块组成：

cim-server

IM 服务端；用于接收 client 连接、消息透传、消息推送等功能。

支持集群部署。

cim-forward-route

消息路由服务器；用于处理消息路由、消息转发、用户登录、用户下线以及一些运营工具（获取在线用户数等）。

cim-client

IM 客户端；给用户使用的消息终端，一个命令即可启动并向其他人发起通讯（群聊、私聊）；同时内置了一些常用命令方便使用。

流程图

整体的流程也比较简单，流程图如下：

• 客户端向 route 发起登录。
• 登录成功从 Zookeeper 中选择可用 IM-server 返回给客户端，并保存登录、路由信息到 Redis。
• 客户端向 IM-server 发起长连接，成功后保持心跳。
• 客户端下线时通过 route 清除状态信息。

所以当我们自己部署时需要以下步骤：

• 搭建基础中间件 Redis、Zookeeper。
• 部署 cim-server，这是真正的 IM 服务器，为了满足性能需求所以支持水平扩展，只需要注册到同一个 Zookeeper 即可。
• 部署 cim-forward-route，这是路由服务器，所有的消息都需要经过它。由于它是无状态的，所以也可以利用 Nginx 代理提高可用性。
• cim-client 真正面向用户的客户端；启动之后会自动连接 IM 服务器便可以在控制台收发消息了。

更多使用介绍可以参考快速启动。

详细设计

接下来重点看看具体的实现，比如群聊、私聊消息如何流转；IM 服务端负载均衡；服务如何注册发现等等。

IM 服务端

先来看看服务端；主要是实现客户端上下线、消息下发等功能。

首先是服务启动：

由于是在 SpringBoot 中搭建的，所以在应用启动时需要启动 Netty 服务。

从 pipline 中可以看出使用了 Protobuf 的编解码（具体报文在客户端中分析）。

注册发现

需要满足 IM 服务端的水平扩展需求，所以 cim-server 是需要将自身数据发布到注册中心的。

这里参考之前分享的《搞定服务注册与发现》有具体介绍。

所以在应用启动成功后需要将自身数据注册到 Zookeeper 中。

最主要的目的就是将当前应用的 ip + cim-server-port+ http-port 注册上去。

上图是我在演示环境中注册的两个 cim-server 实例（由于在一台服务器，所以只是端口不同）。

这样在客户端（监听这个 Zookeeper 节点）就能实时的知道目前可用的服务信息。

登录

当客户端请求 cim-forward-route 中的登录接口（详见下文）做完业务验证（就相当于日常登录其他网站一样）之后，客户端会向服务端发起一个长连接，如之前的流程所示：

这时客户端会发送一个特殊报文，表明当前是登录信息。

服务端收到后就需要将该客户端的 userID 和当前 Channel 通道关系保存起来。

同时也缓存了用户的信息，也就是 userID 和 用户名。

离线

当客户端断线后也需要将刚才缓存的信息清除掉。

同时也需要调用 route 接口清除相关信息（具体接口看下文）。

IM 路由

从架构图中可以看出，路由层是非常重要的一环；它提供了一系列的 HTTP 服务承接了客户端和服务端。

目前主要是以下几个接口。

注册接口

由于每一个客户端都是需要登录才能使用的，所以第一步自然是注册。

这里就设计的比较简单，直接利用 Redis 来存储用户信息；用户信息也只有 ID 和 userName 而已。

只是为了方便查询在 Redis 中的 KV 又反过来存储了一份 VK，这样 ID 和 userName 都必须唯一。

登录接口

这里的登录和 cim-server 中的登录不一样，具有业务性质，

• 登录成功之后需要判断是否是重复登录（一个用户只能运行一个客户端）。
• 登录成功后需要从 Zookeeper 中获取服务列表（cim-server）并根据某种算法选择一台服务返回给客户端。
• 登录成功之后还需要保存路由信息，也就是当前用户分配的服务实例保存到 Redis 中。

为了实现只能一个用户登录，使用了 Redis 中的 set 来保存登录信息；利用 userID 作为 key ，重复的登录就会写入失败。

类似于 Java 中的 HashSet，只能去重保存。

获取一台可用的路由实例也比较简单：

• 先从 Zookeeper 获取所有的服务实例做一个内部缓存。
• 轮询选择一台服务器（目前只有这一种算法，后续会新增）。

当然要获取 Zookeeper 中的服务实例前自然是需要监听 cim-server 之前注册上去的那个节点。

具体代码如下：

也是在应用启动之后监听 Zookeeper 中的路由节点，一旦发生变化就会更新内部缓存。

这里使用的是 Guava 的 cache，它基于 ConcurrentHashMap，所以可以保证清除、新增缓存的原子性。

群聊接口

这是一个真正发消息的接口，实现的效果就是其中一个客户端发消息，其余所有客户端都能收到！

流程肯定是客户端发送一条消息到服务端，服务端收到后在上文介绍的 SessionSocketHolder 中遍历所有 Channel（通道）然后下发消息即可。

服务端是单机倒也可以，但现在是集群设计。所以所有的客户端会根据之前的轮询算法分配到不同的 cim-server 实例中。

因此就需要路由层来发挥作用了。

路由接口收到消息后首先遍历出所有的客户端和服务实例的关系。

路由关系在 Redis 中的存放如下：

由于 Redis 单线程的特质，当数据量大时；一旦使用 keys 匹配所有 cim-route:* 数据，会导致 Redis 不能处理其他请求。

所以这里改为使用 scan 命令来遍历所有的 cim-route:*。

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接着会挨个调用每个客户端所在的服务端的 HTTP 接口用于推送消息。

在 cim-server 中的实现如下：

cim-server 收到消息后会在内部缓存中查询该 userID 的通道，接着只需要发消息即可。

在线用户接口

这是一个辅助接口，可以查询出当前在线用户信息。

实现也很简单，也就是查询之前保存 ”用户登录状态的那个去重 set “即可。

私聊接口

之所以说获取在线用户是一个辅助接口，其实就是用于辅助私聊使用的。

一般我们使用私聊的前提肯定得知道当前哪些用户在线，接着你才会知道你要和谁进行私聊。

类似于这样：

在我们这个场景中，私聊的前提就是需要获得在线用户的 userID。

所以私聊接口在收到消息后需要查询到接收者所在的 cim-server 实例信息，后续的步骤就和群聊一致了。调用接收者所在实例的 HTTP 接口下发信息。

只是群聊是遍历所有的在线用户，私聊只发送一个的区别。

下线接口

一旦客户端下线，我们就需要将之前存放在 Redis 中的一些信息删除掉（路由信息、登录状态）。

IM 客户端

客户端中的一些逻辑其实在上文已经谈到一些了。

登录

第一步也就是登录，需要在启动时调用 route 的登录接口，获得 cim-server 信息再创建连接。

登录过程中 route 接口会判断是否为重复登录，重复登录则会直接退出程序。

接下来是利用 route 接口返回的 cim-server 实例信息（ip+port）创建连接。

最后一步就是发送一个登录标志的信息到服务端，让它保持客户端和 Channel 的关系。

自定义协议

上文提到的一些登录报文、真正的消息报文这些其实都是在我们自定义协议中可以区别出来的。

由于是使用 Google Protocol Buffer 编解码，所以先看看原始格式。

其实这个协议中目前一共就三个字段：

• requestId 可以理解为 userId。
• reqMsg 就是真正的消息。
• type 也就是上文提到的消息类别。

目前主要是三种类型，分别对应不同的业务：

心跳

为了保持客户端和服务端的连接，每隔一段时间没有发送消息都需要自动的发送心跳。

目前的策略是每隔一分钟就是发送一个心跳包到服务端：

这样服务端每隔一分钟没有收到业务消息时就会收到 ping 的心跳包：

内置命令

客户端也内置了一些基本命令来方便使用。

命令	描述
:q	退出客户端
:olu	获取所有在线用户信息
:all	获取所有命令
:	更多命令正在开发中。。

比如输入 :q 就会退出客户端，同时会关闭一些系统资源。

当输入 :olu(onlineUser 的简写)就会去调用 route 的获取所有在线用户接口。

群聊

群聊的使用非常简单，只需要在控制台输入消息回车即可。

这时会去调用 route 的群聊接口。

私聊

私聊也是同理，但前提是需要触发关键字；使用 userId;;消息内容 这样的格式才会给某个用户发送消息，所以一般都需要先使用 :olu 命令获取所以在线用户才方便使用。

消息回调

为了满足一些定制需求，比如消息需要保存之类的。

所以在客户端收到消息之后会回调一个接口，在这个接口中可以自定义实现。

因此先创建了一个 caller 的 bean，这个 bean 中包含了一个 CustomMsgHandleListener 接口，需要自行处理只需要实现此接口即可。

自定义界面

由于我自己不怎么会写界面，但保不准有其他大牛会写。所以客户端中的群聊、私聊、获取在线用户、消息回调等业务(以及之后的业务)都是以接口形式提供。

也方便后面做页面集成，只需要调这些接口就行了；具体实现不用怎么关心。

总结

cim 目前只是第一版，BUG 多，功能少（只拉了几个群友做了测试）；不过后续还会接着完善，至少这一版会给那些没有相关经验的朋友带来一些思路。

后续计划：

完整源码：

https://github.com/crossoverJie/cim

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