移动端IM开发需要面对的技术问题

JackJiang · 8 年前

作者：项望烽，毕业于浙江大学，目前是网易云信 iOS 端研发负责人。

前言

这两年多一直从事网易云信 iOS 端 IM SDK的开发，期间不断有兄弟部门的同事和合作伙伴过来问各种技术细节，干脆统一介绍下一个IM APP的方方面面，包括技术选型（包括通讯方式，网络连接方式，协议选择）和常见问题。

关于移动端网络的优化手段总结性文章可参见《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》、《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》、《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》。

P2P还是服务器中转？

IM通讯方式无非两种选择：设备直连(P2P)和通过服务器中转。

1P2P方式

P2P多见于局域网内聊天工具，典型的应用有:飞鸽传书、天网Maze(你懂的)等。这类软件在启动后一般做两件事情：

进行UDP广播:发送自己信息和接受同局域网内其他端信息；
开启TCP监听:等待其他端进行连接。

详细的流程可以参考飞鸽传书源码。但是这种方式在有种种限制和不便:一方面它只适合在线的点对点消息传输，对离线，群组等业务支持不够。另一方面由于 NAT 的存在，使得不同局域网内机器互联难度大大上升，在某些网络类型(对称NAT)下无法建立连接。

2服务器中转方式

几乎所有互联网IM产品都采用服务器中转这种方式进行消息传输，相对于P2P的方式，它有如下的优点:

能够支持更多P2P无法支持或支持不好的业务，如离线消息，群组，聊天室服务；
方便业务逻辑的拓展和新旧版本的兼容。

当然它也有自己的问题:服务器架构复杂，并发要求高。

该选择什么样的网络通讯技术？

IM主流网络通讯技术有两种:

基于TCP的长连接；
基于HTTP短连接PULL的方式。

后者常见于WEB IM系统(当然现在很多WEB IM都是基于WebSocket实现)，它的优点是实现简单，方便开发上手，问题是流量大，服务器负载较大，消息及时性无法很好地保证，对大规模的用户量支持不够，比较适合小型的IM系统,如小网站的客户系统。

基于TCP长连接则能够更好地支持大批量用户，问题是客户端和服务器的实现比较复杂。当然也还有一些变种，如下行使用MQTT进行服务器通知/消息的下发，上行使用HTTP短连接进行指令和消息的上传。这种方式能够保证下行消息/指令的及时性，但是在弱网络下上行慢的问题还是比较严重。早期的来往就是基于这种方式。

协议如何制定？

IM协议选择原则一般是：易于拓展，方便覆盖各种业务逻辑，同时又比较节约流量。后一点的需求在移动端IM上尤其重要。常见的协议有：XMPP、SIP、MQTT、私有协议。（更多关于即时通讯应用的协议选择，请参见《如何选择即时通讯应用的数据传输格式》：http://www.52im.net/thread-276-1-1.html）

1XMPP

优点：协议开源，可拓展性强，在各个端(包括服务器)有各种语言的实现，开发者接入方便；
缺点：缺点也是不少，XML表现力弱、有太多冗余信息、流量大，实际使用时有大量天坑。

2SIP

SIP协议多用于VOIP相关的模块，是一种文本协议，由于我并没有实际用过，所以不做评论，但从它是文本协议这一点几乎可以断定它的流量不会小。

3MQTT

优点：协议简单，流量少；
缺点：它并不是一个专门为IM设计的协议，多使用于推送。

4私有协议

市面上几乎所有主流IM APP都是是使用私有协议，一个被良好设计的私有协议优点非常明显。

优点：高效，节约流量(一般使用二进制协议)，安全性高，难以破解；
缺点：在开发初期没有现有样列可以参考，对于设计者的要求比较高。

5结论

一个好的协议需要满足如下条件:高效，简洁，可读性好，节约流量，易于拓展，同时又能够匹配当前团队的技术堆栈。基于如上原则，我们可以得出: 如果团队小，团队技术在IM上积累不够可以考虑使用XMPP或者MQTT+HTTP短连接的实现。反之可以考虑自己设计和实现私有协议。

该如何设计私有通信协议？

1序列化与反序列化

移动互联网相对于有线网络最大特点是:带宽低，延迟高，丢包率高和稳定性差，流量费用高。所以在私有协议的序列化上一般使用二进制协议，而不是文本协议。

常见的二进制序列化库有protobuf和MessagePack，当然你也可以自己实现自己的二进制协议序列化和反序列的过程，比如蘑菇街的TeamTalk。但是前面二者无论是可拓展性还是可读性都完爆TeamTalk(TeamTalk连Variant都不支持，一个int传输时固定占用4个字节)，所以大部分情况下还是不推荐自己去实现二进制协议的序列化和反序列化过程。

2协议格式设计

基于TCP的应用层协议一般都分为包头和包体(如HTTP)，IM协议也不例外。包头一般用于表示每个请求/反馈的公共部分，如包长，请求类型，返回码等。而包头则填充不同请求/反馈对应的信息。

一个最简单的包头可以定义为：

struct PackHeader
{
    int32_t     length_;    //包长度
    int32_t     serial_;    //包序列号
    int32_t     command_;   //包请求类型
    int32_t     code_;      //返回码
};

以心跳包为例，假设当前的serial为1，心跳包的command为10，那么使用MessagePack做序列化时:length=4，serial=1，command=10，code=0，每个字段各占一个字节，包体为空，仅需要4个字节。

当然这是最简单的一个例子，面对真正的业务逻辑时，包体里面会需要塞入更多地信息，这个需要开发根据自己的业务逻辑总结公共部分,如为了兼容加入的协议版本号,为了负载均衡加入的模块id等。

其他不可忽视的问题

上面的内容就是一个IM系统大致的选型过程：服务方式，网络通讯协议，数据通信协议选择、协议设计。但是实际开发过程中还有大量的问题需要处理。

1协议加密

为了保证协议不容易被破解，市面上几乎所有主流IM都会对协议进行加密传输。常见的流程和HTTPS加密相似:建立连接后，客户端和服务器进行进行协商，最终客户端获得一个当前Sessino的秘钥，后续的数据传输都通过这个秘钥进行加解密。一般出于效率的考虑都会采用流式加密，如RC4。而前期协商过程则推荐使用RSA等非对称加密以增加破解难度。

2快速连接（即掉线重连机制）

对iOS APP而言，因为没有真后台的存在，APP每次启动基本都需要一次重连登录(短时间内切换除外)，所以如何快速重连、重登就非常重要。
常见优化思路如下:

本地缓存服务器IP并定期刷新。移动网络调优可以参考《iOS端移动网络调优的8条建议》；
合并部分请求。如加密和登录操作可以合并为同一个操作，这样就可以减少一次不必要的网络请求来回的时间；
简化登录后的同步请求，部分同步请求可以推迟到UI操作时进行，如群成员信息刷新。

3连接保持（即心跳机制）

一般APP实现连接保持的方式无非是采用应用层的心跳，通过心跳包的超时和其他条件(网络切换)来执行重连操作。那么问题来了:为什么要使用应用层心跳和如何设计应用层心跳。众所周知TCP协议是有KEEPALIVE这个设置选项，设置为KEEPALIVE后，客户端每隔N秒(默认是7200s)会向服务器发送一个发送心跳包。

但实际操作中我们更多的是使用应用层心跳。原因如下:

KEEPALIVE对服务器负载压力比较大(服务器大大是这么说的...)；
socks代理对KEEPALIVE并不支持；
部分复杂情况下KEEPALIVE会失效，如路由器挂掉，网线(移动端没有网线...)直接被拔除。

移动端在实际操作时为了节约流量和电量一般会在心跳包上做一些小优化：

精简心跳包，保证一个心跳包大小在10字节之内；
心跳包只在空闲时发送；
根据APP前后台状态调整心跳包间隔 (主要是安卓)。

4消息可达（即QoS机制）

在移动网络下，丢包，网络重连等情况非常之多，为了保证消息的可达，一般需要做消息回执和重发机制。参考易信，每条消息会最多会有3次重发，超时时间为15秒，同时在发送之前会检测当前连接状态，如果当前连接并没有正确建立，缓存消息且定时检查(每隔2秒检查一次，检查15次)。所以一条消息在最差的情况下会有2分钟左右的重试时间，以保证消息的可达。

因为重发的存在，接受端偶尔会收到重复消息，这种情况下就需要接收端进行去重。通用的做法是每条消息都戴上自己唯一的message id(一般是uuid)。

5文件上传优化

IM消息(包括SNS模块)内包含大量的文件上传的需求，如何优化文件的上传就成了一个比较大的主题。

常见有下面这些优化思路:

将上传流程提前:音频提供边录边传。朋友圈的图片进行预上传，选择图片后用户一般会进行文本输入，在这段时间内后台就可以默默将选好的图片进行上传；
提供闪电上传的方式:服务器根据MD5进行文件去重；
优化和上传服务器的连接(参考快速连接)，提供连接重用的功能；
文件分块上传:因为移动网络丢包严重，将文件分块上传可以使得一个分组包含合理数量的TCP包，使得重试概率下降，重试代价变小，更容易上传到服务器；
在分包的前提下支持上传的pipeline，避免不必要的网络等待时间；
支持断点续传。

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2 楼: JackJiang · 8 年前

这样的文章没有亲手做过的人，几乎是写不出来的。
即时通讯开发太讲究实践了。
文中提到的消息送达机制跟MobileIMSDK的实现殊途同归。

3 楼: 什么狗屁云 · 8 年前

看的出来，这哥们应该主要是客户端开发，离架构师的理解还是有点距离，但是提到的技术点还是有不少借鉴意义，但也并非完全正确，比如最后一段的文件传输的实现，希望不要被误导。

4 楼: 冈阪日川 · 8 年前

很及时的文章，对于im开发的人来说有一定的借鉴意义。
但p2p还是服务器中转，从现在的主流im来说，几乎毫无悬念的选择服务器中转，因为后期运营时不从服务器中转的话，根本就不受控（谁知道他们来往的是什么消息内容？涉黄？反动？都有可能！），万一闹出法律问题就麻烦大了！

5 楼: PonyZhao · 8 年前

引用：JackJiang 发表于 2016-03-08 14:40
这样的文章没有亲手做过的人，几乎是写不出来的。
即时通讯开发太讲究实践了。
文中提到的消息送达机制跟 ...

多谢分享！

6 楼: itcxiaowu · 7 年前

谢谢分享

7 楼: wx_rlA6mIVz · 7 年前

赞一个

8 楼: so福 · 7 年前

这网站好叼啊！

9 楼: jermy · 7 年前

谢谢分享

10 楼: littleboyer · 7 年前

赞一个这种好文要多发些

11 楼: jollyant · 7 年前

谢谢分享

12 楼: xixi · 6 年前

同样是做ios 端的im ，有些坑踩过，有些确实需要优化更加细才可以。

13 楼: liyoucheng2014 · 6 年前

感谢楼主

14 楼: wx_cXE2u2Zx · 6 年前

想着要开发自己的IM，看来还是很复杂的。。。

15 楼: JackJiang · 6 年前

引用：wx_cXE2u2Zx 发表于 2018-12-18 16:08
想着要开发自己的IM，看来还是很复杂的。。。

im可深可浅，看你想做成什么样的了

16 楼: Saxon · 5 年前

赞！

17 楼: jpfss · 4 年前

总结十分到位

18 楼: Rayman · 4 年前

Mark一波，文章也只是初步给你一个架构考虑，当然像IM这样的技术还是要落实才能得到更多...

19 楼: JackJiang · 4 年前

引用：Rayman 发表于 2020-11-30 17:56
Mark一波，文章也只是初步给你一个架构考虑，当然像IM这样的技术还是要落实才能得到更多...

是的，而且im没有标准方案，每个人的方案都不一样，导致实际面临的问题都有可能不太一样

20 楼: showkw · 1 年前

赞！

本文目录

前言

P2P还是服务器中转？

1P2P方式

2服务器中转方式

该选择什么样的网络通讯技术？

协议如何制定？

1XMPP

2SIP

3MQTT

4私有协议

5结论

该如何设计私有通信协议？

1序列化与反序列化

2协议格式设计

其他不可忽视的问题

1协议加密

2快速连接（即掉线重连机制）

3连接保持（即心跳机制）

4消息可达（即QoS机制）

5文件上传优化

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P2P还是服务器中转？

1P2P方式

2服务器中转方式

该选择什么样的网络通讯技术？

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1XMPP

2SIP

3MQTT

4私有协议

5结论

该如何设计私有通信协议？

1序列化与反序列化

2协议格式设计

其他不可忽视的问题

1协议加密

2快速连接（即掉线重连机制）

3连接保持（即心跳机制）

4消息可达（即QoS机制）

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