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微信为什么不丢消息-IM即时通讯消息的可靠投递分析

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在现实环境中,开发一套比较完善的IM即时通讯软件系统,就一定躲不开消息投递可靠性这一关。虽然,我们现在的网络带宽比以前好太多了,但是网络结构也越来越复杂,无线网络环境尤其为甚。那么如何才能尽量保证IM即时通讯消息可靠投递呢?

本文是关于微信消息投递机制的猜测,与微信没啥关系,只是蹭热度而已……

一、报文类型

im的客户端与服务器通过发送报文(也就是网络包)来完成消息的传递,报文分为三种

请求报文(request,后简称为为R)

应答报文(acknowledge,后简称为A)

通知报文(notify,后简称为N),这三种报文的解释如下:

R:客户端主动发送给服务器的报文
A:服务器被动应答客户端的报文,一个A对应一个R
N:服务器主动发送给客户端的报文

二、普通消息投递流程

用户A给用户B发送一个“你好”,流程如下:

1)client-A向im-server发送一个消息请求包,即msg:R

2)im-server在成功处理后,回复client-A一个消息响应包,即msg:A

3)如果此时client-B在线,则im-server主动向client-B发送一个消息通知包,即msg:N(当然,如果client-B不在线,则消息会存储离线)

三、上述消息投递流程出现的问题

从流程图中容易看到,发送方client-A收到msg:A后,只能说明im-server成功接收到了消息,并不能说明client-B接收到了消息。在若干场景下,可能出现msg:N包丢失,且发送方client-A完全不知道,例如:

  1. 1)服务器崩溃,msg:N包未发出
  2. 2)网络抖动,msg:N包被网络设备丢弃
  3. 3)client-B崩溃,msg:N包未接收

结论是悲观的:接收方client-B是否有收到msg:N,发送方client-A完全不可控,那怎么办呢?

四、应用层确认+im消息可靠投递的六个报文

upd是一种不可靠的传输层协议,tcp是一种可靠的传输层协议,tcp是如何做到可靠的?答案是:超时、重传、确认。

要想实现应用层的消息可靠投递,必须加入应用层的确认机制,即:要想让发送方client-A确保接收方client-B收到了消息,必须让接收方client-B给一个消息的确认,这个应用层的确认的流程,与消息的发送流程类似:

4)client-B向im-server发送一个ack请求包,即ack:R

5)im-server在成功处理后,回复client-B一个ack响应包,即ack:A

6)则im-server主动向client-A发送一个ack通知包,即ack:N

至此,发送“你好”的client-A,在收到了ack:N报文后,才能确认client-B真正接收到了“你好”。

会发现,一条消息的发送,分别包含(上)(下)两个半场,即msg的R/A/N三个报文,ack的R/A/N三个报文,一个应用层即时通讯消息的可靠投递,共涉及6个报文,这就是im系统中消息投递的最核心技术。

五、可靠消息投递存在什么问题

期望六个报文完成消息的可靠投递,但实际情况,msg:N,ack:N这两个报文都可能丢失(原因如第二章所述,可能是服务器奔溃、网络抖动、或者客户端奔溃),此时client-A都收不到期待的ack:N报文,即client-A不能确认client-B是否收到“你好”,但这两个报文的丢失对应的业务影响又大有不同:

  1. 1)msg:N包丢失,业务结果是client-B没有收到消息
  2. 2)ack:N包丢失,业务结果是client-B收到了消息,只是client-A不知道而已

那怎么办呢?

六、消息的超时与重传

client-A发出了msg:R,收到了msg:A之后,在一个期待的时间内,如果没有收到ack:N,client-A会尝试将msg:R重发。可能client-A同时发出了很多消息,故client-A需要在本地维护一个等待ack队列,并配合timer超时机制,来记录哪些消息没有收到ack:N,以定时重发。

一旦收到了ack:N,说明client-B收到了“你好”消息,对应的消息将从“等待ack队列”中移除。

七、消息的重传存在什么问题

第五章提到过,msg:N,ack:N都有可能丢失:

  1. 1)msg:N报文丢失,说明client-B之前压根没有收到“你好”报文,超时与重传机制十分有效
  2. 2)ack:N报文丢失,说明client-B之前已经收到了“你好”报文(只是client-A不知道而已),超时与重传机制将导致client-B收到重复的消息,那怎么办呢?

八、消息的去重

解决方法也很简单,由发送方client-A生成一个消息去重的msgid,保存在“等待ack队列”里,同一条消息使用相同的msgid来重传,供client-B去重,而不影响用户体验。

九、其他

  1. 1)上述设计理念,由客户端重传,可以保证服务端无状态性(架构设计基本准则)
  2. 2)如果client-B不在线,im-server保存了离线消息后,要伪造ack:N发送给client-A

十、总结

  1. 1)im系统是通过超时、重传、确认、去重的机制来保证消息的可靠投递,不丢不重
  2. 2)一个“你好”的发送,包含上半场msg:R/A/N与下半场ack:R/A/N的6个报文
  3. 3)im系统难以做到系统层面的不丢不重,只能做到业务层面的不丢不重

本文转自公众号:架构师之路 作者:58沈剑

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