移动端即时通讯系统探讨

作者: iOS开发探索

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　　在信息高度发达的今天，IM基本上已经成为了一个社交应用的标配。本文将以一个移动开发者的视角，探讨移动端即时通讯系统的技术选型和关键要点。

　　1 即时通讯系统的需求

　　任何技术系统都来源于真实业务的需求，做架构设计之前应该先设定好目标。作为一个即时通讯应用，可以参考微信的使用体验，你需要保证以下特性：

　　1，实时。消息的接收端应该能够及时收到并处理消息。

　　2，不丢。需要保证所有的消息都顺利送达。

　　3，不重。重复的消息对用户来说是一种糟糕的体验。

　　4，保序。只要顺序一乱，消息根本没发看。

　　5，节能。流量可贵，电量可贵，能省则省。

　　6，安全。如果涉及敏感数据，安全必须重视。

　　7，流畅。卡顿的应用是不会被用户接受的。

　　2 关键技术点

　　为了保证消息的实时性，有两种思路：

　　1，长轮询方式，高频率地从服务端拉取新消息。这种方式其实就是传统的请求－响应模型，现在很多体育文字直播软件也采取这种方式。这种方法虽然简单，但有很多缺点。一是会产生很多请求，这对服务器的压力和用户的流量都是浪费。二是消息仍然不够及时，不考虑传输时间，最长的延迟就是轮询的间隔。

　　2，消息的生产者主动推送消息。这应该是更好的选择，可以解决长轮询的缺点。我们的即时通讯系统也会采用这种方式。使用长连接，而且连接必须是稳定可靠的，才能确保消息的实时性。

　　2.1 数据通信协议

　　服务端与客户端之间需要协商好数据格式，这是数据传输和数据处理的基础。协议的设计需要着重考虑第一节提到几点需求。

　　XMPP和MQTT是当前比较成熟的两种消息协议。如果能较好地处理你的业务需求，就没有必要重复造轮子。有很多企业的业务有特殊需求，可以考虑根据实际情况自定义协议，从头开始显然是不现实的，可以参考已经成熟的协议再做设计和开发。具体协议内容在此不详细展开，只做优劣的比较。

　　2.1.1 XMPP

　　XMPP是一种以XML为基础的开放式即时通讯协议。

　　XMPP的优点是安全，SASL及TL等技术的可靠安全性已内置于核心XMPP技术规格中。

　　XMPP 协议的最主要的一点就是开放，不管是协议、客户端，还是 Server 端，都有成熟的实现方案。

　　基于XML，它天生拥有很强的灵活性，可以在核心协议之上方便地进行定制化。Google Talk就是采用这种协议。

　　但是XMPP的缺点也很明显。首先，XMPP协议的方式被编码为一个单一的长的XML文件，因此无法提供修改二进制数据。其次，XML 有大量的标签冗余信息，网络流量的 70% 都消耗在 XMPP 协议层了，这在移动互联网时代，流量和电量是一个不可忽视的消耗。

　　2.1.2 MQTT

　　MQTT协议是由IBM提出的基于发布／订阅模型的消息传输协议，相比于XMPP，它显得非常轻量小巧，协议内容包括固定头部+可变头部+消息体，最下的情况下头部只需要两个字节，在传输开销上有着巨大的优势，可以节省流量和电量。

　　MQTT可以保证消息的可靠性，它包括三种不同的服务质量（最多只传一次、最少被传一次、一次且只传一次），如果客户端意外掉线，可以使用“遗愿”发布一条消息，同时支持持久订阅。

　　XMPP使用XML，是一个历史的选择，在现在移动应用的场景下，个人更加推荐MQTT。据了解，不少企业，包括做IM SDK的厂商，也是在MQTT的基础上进行自定义的扩展和修改。

　　2.2 连接的稳定性

　　移动互联网的场景下，网络环境经常变化，需要保证连接是稳定的。

　　2.2.1 心跳

　　最经典的做法就是使用心跳，实时地检测连接状态。通常是客户端每隔一小段时间向服务器发送一个数据包，通知服务器自己仍然在线，并传输一些可能必要的数据。如果在一定时间内服务器没有响应，则认为连接可能已经断开，重新尝试连接。

　　伪代码如下：


　　上述代码的心跳间隔是固定的。由于心跳包也是会消耗流量的，因此应该找到一个理想的心跳周期，在能敏锐地察觉连接变化的前提下，尽量大地增加周期间隔。因此可以做一个优化，是使心跳间隔动态增加。

　　2.2.2 多连接尝试

　　（1）多连接尝试

　　考虑到不同地区不同网络运营商的情况下，用户可能因为网络限制，连接不上我们的服务或者比较慢。我们在实践中就发现，某些网络运营商将某些端口封禁了，导致部分用户连接不上服务。为了解决这个问题，可以提供多个ip和多个端口，客户端在连接某个ip比较慢的情况下，可以进行轮询，切换到一个更快的ip。

　　（2）长连接与短连接结合

　　这只是一条退路，而不是常规武器。

　　在长连接实在连接不上的情况下，可以考虑做降级，使用短连接长轮询的方式进行替代。

　　2.3 服务质量

　　系统的设计往往存在着取舍和妥协。正如TCP比UDP更加可靠，但它的负载会更高。

　　在即时通讯系统中也存在着取舍的问题，是追求极速送达，还是在传输上做可靠性的保证，确保不丢不重？不同的业务类型可能需要不同的服务质量，MQTT协议提供了三种服务质量，可以作为参考：

　　QoS 0: 至多发送一次，发送即丢弃。没有确认消息，也不知道对方是否收到。针对的消息不重要，丢失也无所谓。

　　QoS 1: 至少发送一次。发送之后，会等待接收方ack确认。在一定时间之内，如果没有收到ack，则会再发一次，一直到接收方收到。重发的消息会在头部有dup标示。这种QoS可以保证消息不丢，但接收方可能会有重复消息，需要做去重。如下图所示：


　　QoS 2:有且仅有一次。可以保证不丢不重，但是通信压力高，需要多次握手。如下图所示：


　　3，客户端实现

　　3.1 消息处理

　　发送消息比较简单，只需要往某一个topic发布即可。

　　接收消息的流程如下：


　　收消息：客户端需要保持一个长连接，并且确保连接稳定，如上章节所示。

　　消息过滤：如果发送端不能确保消息不重（如mqtt中QoS为0或1），客户端需要做去重，因此消息需要有一个唯一的id。

　　消息合并和分发：在实际使用场景中，往往有各种各样的消息类型（如聊天消息、系统通知等），对同一类型的消息可以做合并，以加快后续消息处理速度。而不同类型的消息则分发到各自的处理器当中，如存储到本地数据库，通知页面更新等）

　　UI更新：客户端一般是使用列表来展示消息（iOS中是UITableView，Android中是ListView），而列表的数据量可能很大，数据源更新频率也可能很频繁，因此需要对列表做性能优化，以确保用户体验。以iOS为例，使用Instruments监控性能瓶颈的地方，对内存占用和CPU占用大户进行优化。确定问题后，常用的技巧有：对cell高度做缓存；简化UI层次结构；避免大量的离屏渲染；减少混合图层；等等。对症下药，各个击破。

　　3.2 其他

　　IM应用中，还有很多常用的实现需求，例如表情键盘，图片语音等多媒体的存储和下载队列等。但这不在系统实现的范畴中，将来后有文章进行详细阐述。

　　参考：

　　https://en./wiki/XMPP

　　http://www./yongboy/archive/2014/02/15/409893.html