一種基于移動網(wǎng)絡(luò)安全可靠的消息系統(tǒng)

余亞玲，李 寧

(華北計算技術(shù)研究所，北京 100083)

0 引言

即時通信系統(tǒng)作為一種新興的技術(shù)近來獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它以移動網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，手機終端為載體，可使用戶以實時方式與其它在線用戶進(jìn)行信息交互，其突出優(yōu)點是快捷方便。但由于移動網(wǎng)絡(luò)的特點，造成消息的可靠性等與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有較大的差異。

本文提出一種基于移動網(wǎng)絡(luò)安全可靠的消息系統(tǒng)，包括消息回執(zhí)、多級別的消息重發(fā)、消息推送以及消息顯示等功能，通過消息回執(zhí)策略、多級別的重發(fā)策略等方式來提高移動網(wǎng)絡(luò)的消息成功率，實現(xiàn)消息的聯(lián)動機制。其中消息回執(zhí)使得服務(wù)器能夠及時獲得用戶獲取消息的反饋，保證消息的真實到達(dá);多級別的消息重發(fā)主要是通過對消息的分類，對待不同級別的內(nèi)容采用不同的重發(fā)策略;消息顯示是用戶在獲取到消息事件后，根據(jù)消息格式對不同類型的消息進(jìn)行顯示。

1 消息系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)

基于不可靠移動網(wǎng)絡(luò)的消息系統(tǒng)，是目前移動互聯(lián)網(wǎng)及時通訊研究的熱點，無論是消息推送，還是IM等及時通訊應(yīng)用都涉及這個方面的問題，如何保證消息及時有效地送到用戶是研究的關(guān)鍵。從技術(shù)上，消息的送達(dá)主要有2類技術(shù)，一類是客戶端輪詢，即客戶端不斷地發(fā)送請求獲取新內(nèi)容;另一類是推送，即服務(wù)端在有消息內(nèi)容時將消息推送到客戶端。輪詢實現(xiàn)比較簡單，即客戶端在一定的時間間隔內(nèi)向服務(wù)端請求，獲取新的數(shù)據(jù)，目前這種方式在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)上的消息應(yīng)用中較為普遍。但這種方式在移動網(wǎng)絡(luò)下存在較多問題，如果設(shè)置時間間隔太長，會造成消息的及時性不夠，如果設(shè)置太短，會造成較大的數(shù)據(jù)流量，移動網(wǎng)絡(luò)目前的流量成本還比較高，另外對移動設(shè)備的電量消耗較大。而推送方式采用長連接的方式，有效地避免了上述問題，但是，由于移動網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，在長連接情況下沒有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，客戶端時有掉線。因此筆者在參考推送模式和XMPP(Extensible Messaging and Presence Protocol，可擴展消息與出席協(xié)議)的基礎(chǔ)上，借用輪詢請求的方式，實現(xiàn)消息的有效回執(zhí)，同時采用重試鏈接的方式回避長連接的不穩(wěn)定，在傳統(tǒng)的推送基礎(chǔ)上加了重發(fā)機制。

該消息系統(tǒng)在架構(gòu)上由客戶端、服務(wù)端和數(shù)據(jù)層構(gòu)成，各層由不同子功能模塊組成。

客戶端主要為用戶提供交互操作的界面，包含消息回執(zhí)、消息顯示等模塊，其核心是客戶端收到消息后，根據(jù)消息體的相關(guān)屬性決定消息是否需要回執(zhí)，采用何種模板進(jìn)行消息體的展示。

服務(wù)端由多臺基于Openfire的IM服務(wù)器集群、Zookeeper集群以及消息待發(fā)隊列和重發(fā)隊列組成，用于處理、轉(zhuǎn)發(fā)及重發(fā)客戶端消息、接收客戶端消息回執(zhí)、監(jiān)聽客戶端狀態(tài)等。此外，還包含統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，用于訪問緩存數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)層用于存儲來自應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和用戶狀態(tài)，其中緩存數(shù)據(jù)庫主要存儲用戶信息及離線消息等，Zookeeper集群主要存儲IM服務(wù)器集群的共享數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 各模塊功能

1)客戶端消息回執(zhí)模塊用于構(gòu)造并發(fā)送客戶端消息回執(zhí)。當(dāng)客戶端成功接收在線消息或離線消息時，立刻向服務(wù)端發(fā)送“成功接收在線消息”或“成功接收離線消息”的回執(zhí)，告知服務(wù)器客戶端已成功接收到消息，不用重復(fù)向其發(fā)送此消息，服務(wù)端的業(yè)務(wù)層根據(jù)回執(zhí)的情況對消息進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理。

2)客戶端消息顯示模塊根據(jù)消息類型對消息予以不同的顯示。消息主要分為普通消息、多媒體消息、聯(lián)動消息3類，客戶端消息顯示模塊根據(jù)上述的類型，從消息彈出方式、消息字體顏色、消息的聯(lián)動等方面進(jìn)行不同的處理。比如消息是否需要彈出、客戶端收到消息的聲音模式以及該消息內(nèi)容是否進(jìn)行下一步聯(lián)動操作。

3)服務(wù)端消息處理模塊主要負(fù)責(zé)接收客戶端的消息回執(zhí)，當(dāng)該模塊接收到客戶端的消息回執(zhí)時，表示客戶端已經(jīng)收到該消息，后續(xù)對該消息進(jìn)行完整的事務(wù)處理，把該消息從待發(fā)隊列移除，同時置該消息狀態(tài)位為已發(fā)送。

4)服務(wù)端消息處理推送模塊主要根據(jù)消息接收者的狀態(tài)實行不同的消息發(fā)送策略，同時根據(jù)消息的內(nèi)容和形式組成不同的消息體，便于客戶端進(jìn)行消息的顯示，同時提供其他應(yīng)用服務(wù)器能夠通過IM服務(wù)器向客戶端推送消息接口。

5)服務(wù)端消息重發(fā)模塊用于重新發(fā)送未成功送達(dá)客戶端的消息。服務(wù)器端維護(hù)一個重發(fā)隊列保存其發(fā)送過的消息，當(dāng)收到回執(zhí)時則從隊列刪除相應(yīng)消息，若未收到回執(zhí)，則在計時器周期遍歷重發(fā)隊列時重發(fā)此消息，以此來提高服務(wù)器端向客戶端發(fā)送消息的可靠性。服務(wù)器端根據(jù)消息的重要程度采用不同級別的重發(fā)策略，越重要的消息重發(fā)的頻率和次數(shù)越高，多級別的重發(fā)策略便于定制，更為靈活。

6)服務(wù)端狀態(tài)管理模塊主要是維護(hù)客戶端的長連接狀態(tài)，如客戶端上線、離線、暫時不接受某類消息等，該模塊對消息推送策略的制定至關(guān)重要。

7)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)存儲模塊主要是對消息內(nèi)容的保存和用戶連接狀態(tài)的存儲，由于消息的量比較大，文件大小較小，采用緩存機制可以有效降低磁盤IO吞吐消耗，緩存機制的讀取和存儲速度較快，有效地提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

1.3 重發(fā)策略分析

保障客戶端的消息接收是本文的關(guān)鍵，難點在重發(fā)策略。消息重發(fā)策略包括服務(wù)端消息重發(fā)策略及客戶端消息回執(zhí)策略。為支持服務(wù)端消息重發(fā)功能，IM服務(wù)器需要維護(hù)一個消息重發(fā)隊列，當(dāng)IM服務(wù)器推送完成一條消息后，將該消息從待發(fā)隊列中移到重發(fā)隊列，IM服務(wù)器檢測客戶端的在線狀態(tài)，如果在線，則立即發(fā)送，同時待成功收到客戶端的回執(zhí)時從重發(fā)隊列刪除相應(yīng)的消息，如果不在線，則將消息存為離線消息，標(biāo)識消息的發(fā)送時間和已發(fā)送次數(shù)。IM服務(wù)器采用集群方式，各個IM服務(wù)器需要共享同一個消息重發(fā)隊列，本文借助Zookeeper實現(xiàn)消息隊列的共享與同步。Zookeeper是通過選舉產(chǎn)生leader和follower，其算法正確執(zhí)行的前提是有一半以上機器正常工作，每臺機器部署一個IM服務(wù)器及一個Zookeeper服務(wù)器，各IM服務(wù)器之間進(jìn)行負(fù)載平衡，各Zookeeper之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，IM服務(wù)器優(yōu)先從本地Zookeeper存取數(shù)據(jù)。各機器中只有一臺機器作為主服務(wù)器，其余作為從屬服務(wù)器，主服務(wù)器負(fù)責(zé)消息的重發(fā)。

計時器控制消息重發(fā)，要求重發(fā)隊列中的消息至少包含消息體、已重發(fā)次數(shù)、上一次發(fā)送時間等數(shù)據(jù)。當(dāng)執(zhí)行計時器任務(wù)遍歷重發(fā)隊列時，若某消息距上次發(fā)送時間超過閾值則重發(fā)此消息，并修改消息最后一次發(fā)送時間以及已發(fā)送次數(shù)，當(dāng)某消息發(fā)送次數(shù)達(dá)到設(shè)定的上限時就將其存為離線消息，待用戶登錄以后再接收此消息。

2 消息系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)在完成設(shè)計后，筆者搭建了一套測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)服務(wù)端采用4臺2CPU/4G內(nèi)存機器做IM服務(wù)器和3個Zookeeper集群，1臺2CPU/8G內(nèi)存的服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲的redis服務(wù)器。同時選取了目前市場比較主流的中國移動2G Android手機1臺，中國聯(lián)通的3G Android手機終端1臺。在應(yīng)用搭建完成后，分別在2G、3G網(wǎng)絡(luò)下，通過服務(wù)端進(jìn)行了100、1000、1000、10000條消息向客戶端推送，一種情況是消息沒有重發(fā)和回執(zhí)策略，另一種情況采取5次的重發(fā)策略和消息回執(zhí)策略，從圖2的測試結(jié)果來看，特別是2G(不穩(wěn)定)的網(wǎng)絡(luò)，通過提升重試次數(shù)，大大增加了消息的投達(dá)能力，消息到達(dá)率由80%多平均提升到96%左右，而在3G網(wǎng)絡(luò)下，消息的到達(dá)率也平均有90%提升到98%左右。同時由于有了消息回執(zhí)機制，服務(wù)端顯示的消息到達(dá)條數(shù)和客戶端實際收到的消息條數(shù)是一致的。而沒有采用消息回執(zhí)策略的，客戶端實際收到的消息大概是95%左右，有5%的異常情況。

圖2 不同策略消息發(fā)送圖

圖3 各個時間范圍的失敗消息情況圖

進(jìn)一步分析各種失敗的消息情況，可以看到重試間隔時間越長，消息的失敗率越高。如圖3所示。

從測試報告可以看出，系統(tǒng)的重試間隔時間在一定范圍內(nèi)，成功率比較高，隨著時間越長，成功率顯著下降。因此重試間隔也有一定的限制。

3 結(jié)束語

隨著從傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)時代步入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，無論對于個人還是企業(yè)，對于即時通訊的需求一直有增無減，及時獲取消息，對提升用戶體驗，保證通信質(zhì)量，提高用戶滿意度，增強產(chǎn)品及企業(yè)的競爭力具有重要的意義。本文通過結(jié)合推送和輪詢模式，探索出一種基于移動網(wǎng)絡(luò)安全可靠的消息系統(tǒng)。它既能大大地提升服務(wù)能力和服務(wù)體驗，還能有效地降低系統(tǒng)成本。

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