企业微信的 IM 架构设计揭秘:消息模型、万人群、已读回执、消息撤回等
本文作者潘唐磊,腾讯 WXG(微信事业群)开发工程师,毕业于中山大学。内容有修订。
1、内容概述
本文总结了企业微信的 IM 消息系统架构设计,阐述了企业业务给 IM 架构设计带来的技术难点和挑战,以及技术方案的对比与分析。同时总结了 IM 后台开发的一些常用手段,适用于 IM 消息系统。
* 推荐阅读:企业微信团队分享的另一篇《企业微信客户端中组织架构数据的同步更新方案优化实战》也值得一读。
学习交流:
- 移动端 IM 开发入门文章:《新手入门一篇就够:从零开发移动端IM》
- 开源 IM 框架源码:https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK
2、名词解释
以下是本文内容中涉及到的技术名词缩写,具体意义如下:
1)seq:自增长的序列号,每条消息对应一个(见:《微信的海量IM聊天消息序列号生成实践》);
2)ImUnion:消息互通系统,用于企业微信与微信的消息打通;
3)控制消息:即控制指令,属不可见消息,是复用消息通道的一种可靠通知机制;
4)应用消息:系统应用下发的消息;
5)api 消息:第三方应用下发的消息;
6)appinfo:每条消息对应的唯一 strid,全局唯一。同一条消息的 appinfo 在所有的接收方中是相同的。
3、技术背景
企业微信作为一款办公协同的产品,聊天消息收发是最基础的功能。消息系统的稳定性、可靠性、安全性尤其重要。
消息系统的构建与设计的过程中,面临着较多的难点。而且针对 toB 场景的消息系统,需要支持更为复杂的业务场景。
针对 toB 场景的特有业务有:
1)消息鉴权:关系类型有群关系、同企业同事关系、好友关系、集团企业关系、圈子企业关系。收发消息双方需存在至少一种关系才允许发消息;
2)回执消息:每条消息都需记录已读和未读人员列表,涉及频繁的状态读写操作;
3)撤回消息:支持 24 小时的有效期撤回动作;
4)消息存储:云端存储时间跨度长,最长可支持 180 天消息存储,数百 TB 用户消息需优化,减少机器成本;
5)万人群聊:群人数上限可支持 10000 人,一条群消息就像一次小型的 DDoS 攻击;
6)微信互通:两个异构的 im 系统直接打通,可靠性和一致性尤其重要。
4、整体架构设计 1:架构分层
如上所示,整体架构分层如下。
1)接入层:统一入口,接收客户端的请求,根据类型转发到对应的 CGI 层。客户端可以通过长连或者短连连接 wwproxy。活跃的客户端,优先用长连接发起请求,如果长连失败,则选用短连重试。
2)CGI 层:http 服务,接收 wwproxy 的数据包,校验用户的 session 状态,并用后台派发的秘钥去解包,如解密失败则拒绝请求。解密成功,则把明文包体转发到后端逻辑层对应的 svr。
3)逻辑层:大量的微服务和异步处理服务,使用自研的 hikit rpc 框架,svr 之间使用 tcp 短连进行通信。进行数据整合和逻辑处理。和外部系统的通信,通过 http 协议,包括微信互通、手机厂商的推送平台等。
4)存储层:消息存储是采用的是基于 levelDB 模型开发 msgkv。SeqSvr 是序列号生成器,保证派发的 seq 单调递增不回退,用于消息的收发协议。
5、整体架构设计 2:消息收发模型
企业微信的消息收发模型采用了推拉方式,这种方式可靠性高,设计简单。
以下是消息推拉的时序图:
PS:如上图所示,发送方请求后台,把消息写入到接收方的存储,然后 push 通知接收方。接受方收到 push,主动上来后台收消息。
不重、不丢、及时触达,这三个是消息系统的核心指标:
1)实时触达:客户端通过与后台建立长连接,保证消息 push 的实时触达;
2)及时通知:如果客户端长连接不在,进程被 kill 了,利用手机厂商的推送平台,推送通知,或者直接拉起进程进行收消息;
3)消息可达:假如遇到消息洪峰,后台的 push 滞后,客户端有轮训机制进行兜底,保证消息可达;
4)消息防丢:为了防止消息丢失,只要后台逻辑层接收到请求,保证消息写到接收方的存储,失败则重试。如果请求在 CGI 层就失败,则返回给客户端出消息红点;
5)消息排重:客户端在弱网络的场景下,有可能请求已经成功写入存储,回包超时,导致客户端重试发起相同的消息,那么就造成消息重复。为了避免这种情况发生,每条消息都会生成唯一的 appinfo,后台通过建立索引进行排重,相同的消息直接返回成功,保证存储只有一条。
6、整体架构设计 3:消息扩散写
IM 中消息分发的典型方式,一般有两种:
1)扩散读;
2)扩散写。
6.1 扩散读
即:每条消息只存一份,群聊成员都读取同一份数据。
优点:节省存储容量。
缺点:
① 每个用户需存储会话列表,通过会话 id 去拉取会话消息;
② 收消息的协议复杂,每个会话都需要增量同步消息,则每个会话都需要维护一个序列号。
6.2 扩散写
即:每条消息存多份,每个群聊成员在自己的存储都有一份。
优点:
① 只需要通过一个序列号就可以增量同步所有消息,收消息协议简单;
② 读取速度快,前端体验好;
③ 满足更多 ToB 的业务场景:回执消息、云端删除。
同一条消息,在每个人的视角会有不同的表现。例如:回执消息,发送方能看到已读未读列表,接受方只能看到是否已读的状态。云端删除某条群消息,在自己的消息列表消失,其他人还是可见。
缺点:存储容量的增加。
企业微信采用了扩散写的方式,消息收发简单稳定。存储容量的增加,可以通过冷热分离的方案解决,冷数据存到廉价的 SATA 盘,扩散读体验稍差,协议设计也相对复杂些。
下图是扩散写的协议设计:
如上图所示:
1)每个用户只有一条独立的消息流。同一条消息多副本存在于每个用户的消息流中;
2)每条消息有一个 seq,在同个用户的消息流中,seq 是单调递增的;
3)客户端保存消息列表中最大 seq,说明客户端已经拥有比该 seq 小的所有消息。若客户端被 push 有新消息到达,则用该 seq 向后台请求增量数据,后台把比此 seq 大的消息数据返回。
7、系统稳定性设计 1:柔性策略
7.1 背景
企业微信作为一款 to B 场景的聊天 im 工具,用于工作场景的沟通,有着较为明显的高峰效应(如下图所示)。
正如上图所示:工作时间上午 9:00~12:00、下午 14:00~18:00,是聊天的高峰,消息量剧增。工作日和节假日也会形成明显的对比。
高峰期系统压力大,偶发的网络波动或者机器过载,都有可能导致大量的系统失败。im 系统对及时性要求比较高,没办法进行削峰处理。那么引入一些柔性的策略,保证系统的稳定性和可用性非常有必要。
具体的做法就是启动过载保护策略:当 svr 已经达到最大处理能力的时候,说明处于一个过载的状态,服务能力会随着负载的增高而急剧下降。如果 svr 过载,则拒绝掉部分正常请求,防止机器被压垮,依然能对外服务。通过统计 svr 的被调耗时情况、worker 使用情况等,判定是否处于过载状态。过载保护策略在请求高峰期间起到了保护系统的作用,防止雪崩效应。
下图就是因过载被拒绝掉的请求:
7.2 问题
上一小结中过载保护策略所带来的问题就是:系统过载返回失败,前端发消息显示失败,显示红点,会严重影响产品体验。
发消息是 im 系统的最基础的功能,可用性要求达到几乎 100%,所以这个策略肯定需要优化。
7.3 解决方案
解决方案思路就是:尽管失败,也返回前端成功,后台保证最终成功。
为了保证消息系统的可用性,规避高峰期系统出现过载失败导致前端出红点,做了很多优化。
具体策略如下:
1)逻辑层 hold 住失败请求,返回前端成功,不出红点,后端异步重试,直至成功;
2)为了防止在系统出现大面积故障的时候,重试请求压满队列,只 hold 住半小时的失败请求,半小时后新来的请求则直接返回前端失败;
3)为了避免重试加剧系统过载,指数时间延迟重试;
4)复杂的消息鉴权(好友关系,企业关系,集团关系,圈子关系),耗时严重,后台波动容易造成失败。如果并非明确鉴权不通过,则幂等重试;
5)为了防止作恶请求,限制单个用户和单个企业的请求并发数。例如,单个用户的消耗 worker 数超过 20%,则直接丢弃该用户的请求,不重试。
优化后,后台的波动,前端基本没有感知。
以下是优化前后的流程对比:
8、系统稳定性设计 2:系统解耦
由于产品形态的原因,企业微信的消息系统,会依赖很多外部模块,甚至外部系统。
例如:与微信消息互通,发送消息的权限需要放到 ImUnion 去做判定,ImUnion 是一个外部系统,调用耗时较长。
再如:金融版的消息审计功能,需要把消息同步到审计模块,增加 rpc 调用。
再如:客户服务的单聊群聊消息,需要把消息同步到 crm 模块,增加 rpc 调用。为了避免外部系统或者外部模块出现故障,拖累消息系统,导致耗时增加,则需要系统解耦。
我们的方案:与外部系统的交互,全设计成异步化。
思考点:需要同步返回结果的请求,如何设计成异步化?
例如:群聊互通消息需经过 ImUnion 鉴权返回结果,前端用于展示消息是否成功发送。先让客户端成功,异步失败,则回调客户端使得出红点。
如果是非主流程,则异步重试保证成功,主流程不受影响,如消息审计同步功能。那么,只需要保证内部系统的稳定,发消息的主流程就可以不受影响。
解耦效果图:
9、系统稳定性设计 3:业务隔离
企业微信的消息类型有多种:
1)单聊群聊:基础聊天,优先级高;
2)api 消息:企业通过 api 接口下发的消息,有频率限制,优先级中;
3)应用消息:系统应用下发的消息,例如公告,有频率限制,优先级中;
4)控制消息:不可见的消息。例如群信息变更,会下发控制消息通知群成员,优先级低。
群聊按群人数,又分成 3 类:
1)普通群:小于 100 人的群,优先级高;
2)大 群:小于 2000 人的群,优先级中;
3)万人群:优先级低。
业务繁多:如果不加以隔离,那么其中一个业务的波动有可能引起整个消息系统的瘫痪。
重中之重:需要保证核心链路的稳定,就是企业内部的单聊和 100 人以下群聊,因为这个业务是最基础的,也是最敏感的,稍有问题,投诉量巨大。
其余的业务:互相隔离,减少牵连。按照优先级和重要程度进行隔离,对应的并发度也做了调整,尽量保证核心链路的稳定性。
解耦和隔离的效果图:
10、to B 业务功能的设计与优化 1:万人群
10.1 技术背景
企业微信的群人数上限是 10000,只要群内每个人都发一条消息,那么扩散量就是 10000 * 10000 = 1 亿次调用,非常巨大。
10000 人投递完成需要的耗时长,影响了消息的及时性。
10.2 问题分析
既然超大群扩散写量大、耗时长,那么自然会想到:超大群是否可以单独拎出来做成扩散读呢。
下面分析一下超大群设计成单副本面临的难点:
① 一个超大群,一条消息流,群成员都同步这条流的消息;
② 假如用户拥有多个超大群,则需要同步多条流,客户端需维护每条流的 seq;
③ 客户端卸载重装,并不知道拥有哪些消息流,后台需存储并告知;
④ 某个超大群来了新消息,需通知所有群成员,假如 push 没触达,客户端没办法感知有新消息,不可能去轮训所有的消息流。
综上所述:单副本的方案代价太大。
以下将介绍我们针对万人群聊扩散写的方案,做的一些优化实践。
10.3 优化 1:并发限制
万人群的扩散量大,为了是消息尽可能及时到达,使用了多协程去分发消息。但是并不是无限制地加大并发度。
为了避免某个万人群的高频发消息,造成对整个消息系统的压力,消息分发以群 id 为维度,限制了单个群的分发并发度。消息分发给一个人的耗时是 8ms,那么万人的总体耗时是 80s,并发上限是 5,那么消息分发完成需要 16s。16s 的耗时,在产品角度来看还、是可以接受的,大群对及时性不敏感。同时,并发度控制在合理范围内。
除了限制单个群 id 的并发度,还限制了万人群的总体并发度。单台机,小群的 worker 数为 250 个,万人群的 worker 数为 30。
万人群的频繁发消息,worker 数用满,导致队列出现积压:
由于并发限制,调用数被压平,没有请求无限上涨,系统稳定:
10.4 优化 2:合并插入
工作场景的聊天,多数是在小群完成,大群用于管理员发通知或者老板发红包。
大群消息有一个常见的规律:平时消息少,会突然活跃。例如:老板在群里发个大红包,群成员起哄,此时就会产生大量的消息。
消息量上涨、并发度被限制、任务处理不过来,那么队列自然就会积压。积压的任务中可能存在多条消息需要分发给同一个群的群成员。
此时:可以将这些消息,合并成一个请求,写入到消息存储,消息系统的吞吐量就可以成倍增加。
在日常的监控中,可以捕获到这种场景,高峰可以同时插入 20 条消息,对整个系统很友善。
10.5 优化 3:业务降级
比如:群人员变更、群名称变动、群设置变更,都会在群内扩散一条不可见的控制消息。群成员收到此控制消息,则向后台请求同步新数据。
举个例子:一个万人群,由于消息过于频繁,对群成员造成骚扰,部分群成员选择退群来拒绝消息,假设有 1000 人选择退群。那么扩散的控制消息量就是 1000w,用户收到控制消息就向后台请求数据,则额外带来 1000w 次的数据请求,造成系统的巨大压力。
控制消息在小群是很有必要的,能让群成员实时感知群信息的变更。
但是在大群:群信息的变更其实不那么实时,用户也感觉不到。所以结合业务场景,实施降级服务,控制消息在大群可以直接丢弃、不分发,减少对系统的调用。
11、to B 业务功能的设计与优化 2:回执消息
11.1 技术背景
回执消息是办公场景经常用到的一个功能,能看到消息接受方的阅读状态。
一条回执消息的阅读状态会被频繁修改,群消息被修改的次数和群成员人数成正比。每天上亿条消息,读写频繁,请求量巨大,怎么保证每条消息在接受双方的状态是一致的是一个难点。
11.2 实现方案
消息的阅读状态的存储方式两个方案。
方案一:
思路:利用消息存储,插入一条新消息指向旧消息,此新消息有最新的阅读状态。客户端收到新消息,则用新消息的内容替换旧消息的内容展示,以达到展示阅读状态的效果。
优点:复用消息通道,增量同步消息就可以获取到回执状态,复用通知机制和收发协议,前后端改造小。
缺点:
① 存储冗余,状态变更多次,则需插入多条消息;
② 收发双方都需要修改阅读状态(接收方需标志消息为已读状态),存在收发双方数据一致性问题。
方案二:
思路:独立存储每条消息的阅读状态,消息发送者通过消息 id 去拉取数据。
优点:状态一致。
缺点:
① 构建可靠的通知机制,通知客户端某条消息属性发生变更;
② 同步协议复杂,客户端需要准确知道哪条消息的状态已变更;
③ 消息过期删除,阅读状态数据也要自动过期删除。
企业微信采用了方案一去实现,简单可靠、改动较小:存储冗余的问题可以通过 LevelDB 落盘的时候 merge 数据,只保留最终状态那条消息即可;一致性问题下面会介绍如何解决。
上图是协议流程(referid:被指向的消息 id,senderid:消息发送方的 msgid):
1)每条消息都有一个唯一的 msgid,只在单个用户内唯一,kv 存储自动生成的;
2)接收方 b 已读消息,客户端带上 msgid=b1 请求到后台;
3)在接受方 b 新增一条消息,msgid=b2,referid=b1,指向 msgid=b1 的消息。并把 msgid=b2 的消息内容设置为消息已读。msgid=b1 的消息体,存有发送方的 msgid,即 senderid=a1;
4)发送方 a,读出 msgid=a1 的消息体,把 b 加入到已读列表,把新的已读列表保存到消息体中,生成新消息 msgid=a2,referid=a1,追加写入到 a 的消息流;
5)接收方 c 已读同一条消息,在 c 的消息流走同样的逻辑;
6)发送方 a,读出 msgid=a1 的消息体,把 c 加入到已读列表,把新的已读列表保存到消息体中,生成新消息 msgid=a3,referid=a1,追加写入到 a 的消息流。a3>a2,以 msgid 大的 a3 为最终状态。
11.3 优化 1:异步化
接受方已读消息,让客户端同步感知成功,但是发送方的状态没必要同步修改。因为发送方的状态修改情况,接受方没有感知不到。那么,可以采用异步化的策略,降低同步调用耗时。
具体做法是:
1)接受方的数据同步写入,让客户端马上感知消息已读成功;
2)发送方的数据异步写入,减少同步请求;
3)异步写入通过重试来保证成功,达到状态最终一致的目的。
11.4 优化 2:合并处理
客户端收到大量消息,并不是一条一条消息已读确认,而是多条消息一起已读确认。为了提高回执消息的处理效率,可以对多条消息合并处理。
如上图所示:
1)X>>A:表示 X 发了一条消息给 A;
2)A 合并确认 3 条消息,B 合并确认 3 条消息。那么只需要处理 2 次,就能标志 6 条消息已读;
3)经过 mq 分发,相同的发送方也可以合并处理。在发送方,X 合并处理 2 条消息,Y 合并处理 2 条消息,Z 合并处理 2 条消息,则合并处理 3 次就能标志 6 条消息。
经过合并处理,处理效率大大提高。下图是采集了线上高峰时期的调用数据。可以看得出来,优化后的效果一共节省了 44%的写入量。
11.5 读写覆盖解决
发送方的消息处理方式是先把数据读起来,修改后重新覆盖写入存储。接收方有多个,那么就会并发写发送方数据,避免不了出现覆盖写的问题。
流程如下:
1)发送方某条消息的已读状态是 X;
2)接收方 a 确认已读,已读状态修改为 X+a;
3)接收方 b 确认已读,已读状态修改为 X+b;
4)接收方 a 的状态先写入,接受方 b 的状态后写入。这最终状态为 X+b;
5)其实正确的状态是 X+a+b。
处理这类问题,无非就一下几种办法。
方案一:因为并发操作是分布式,那么可以采用分布式锁的方式保证一致。操作存储之前,先申请分布式锁。这种方案太重,不适合这种高频多账号的场景。
方案二:带版本号读写。一个账号的消息流只有一个版本锁,高频写入的场景,很容易产生版本冲突,导致写入效率低下。
方案三:mq 串行化处理。能避免覆盖写问题,关键是在合并场景起到很好的作用。同一个账号的请求串行化,就算出现队列积压,合并的策略也能提高处理效率。
企业微信采用了方案三,相同 id 的用户请求串行化处理,简单易行,逻辑改动较少。
12、to B 业务功能的设计与优化 3:撤回消息
12.1 技术难点
“撤回消息”相当于更新原消息的状态,是不是也可以通过 referid 的方式去指向呢?
回执消息分析过:通过 referid 指向,必须要知道原消息的 msgid。
区别于回执消息:撤回消息需要修改所有接收方的消息状态,而不仅仅是发送方和单个接收方的。消息扩散写到每个接收方的消息流,各自的消息流对应的 msgid 是不相同的,如果沿用 referid 的方式,那就需要记录所有接收方的 msgid。
12.2 解决方案
分析:撤回消息比回执消息简单的是,撤回消息只需要更新消息的状态,而不需要知道原消息的内容。接收方的消息的 appinfo 都是相同的,可以通过 appinfo 去做指向。
协议流程:
1)用户 a、b、c,都存在同一条消息,appinfo=s,sendtime=t;
2)a 撤回该消息,则在 a 的消息流插入一条撤回的控制消息,消息体包含{appinfo=s,sendtime=t};
3)客户端 sync 到撤回的控制消息,获取到消息体的 appinfo 与 sendtime,把本地 appinfo=s 且 sendtime=t 的原消息显示为撤回状态,并删除原消息数据。之所以引入 sendtime 字段,是为了防止 appinfo 碰撞,加的双重校验;
4)接收方撤回流程和发送方一致,也是通过插入撤回的控制消息。
该方案的优点明显,可靠性高,协议简单。
撤回消息的逻辑示意图:
13、思考与总结
企业微信的 IM 消息架构与微信类似,但是在 to B 业务场景面临了一些新的挑战。结合产品形态、分析策略,通过优化方案,来确保消息系统的可靠性、稳定性、安全性。
企业微信的 to B 业务繁杂,有很多定制化的需求,消息系统的设计需要考虑通用性和扩展性,以便支持各种需求。例如:撤回消息的方案,可以适用于消息任何属性的更新,满足更多场景。
附录:更多精华文章
[1] 有关 IM 架构设计的文章:
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[2] QQ、微信团队原创技术文章:
《腾讯技术分享:腾讯是如何大幅降低带宽和网络流量的(图片压缩篇)》
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《微信团队分享:微信支付代码重构带来的移动端软件架构上的思考》
《IM开发宝典:史上最全,微信各种功能参数和逻辑规则资料汇总》
《微信团队分享:微信直播聊天室单房间1500万在线的消息架构演进之路》
本文已同步发布于“即时通讯技术圈”公众号。
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