tim实践系列——如何架构支持亿级别在线用户的即时消息系统

前言：tim是去中心化分布式即时通讯引擎。不依赖于任何中心服务器，采用去中心化分布式架构，解决传统中心化通讯方式的问题，去中心化分布式架构的通讯引擎的各个节点之间相互连接，形成一个庞大的分布式网络。可以轻松地扩展服务规模，支持更多的用户和业务需求，提供更加安全、可靠、高效的通讯服务。
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指望用一个方案可以解决亿级别在线用户并不现实，那应该是一系列方案的组合才能解决的问题。亿级别在线IM用户不同于亿级别TCP连接。海量在线用户在应用上的行为，会产生巨大的数据量和高并发压力，对系统的并发处理能力与海量数据处理能力是一项大挑战。系统需要考虑高并发、低延迟、数据一致性、扩展性和可用性等多个方面问题。

解决海量并发用户的问题，通常会有一些解决方案：

架构方面：
  1. 分布式服务器集群：使用多数据中心、多区域部署策略，构建大规模的服务器集群。
  2. 使用负载均衡技术（如Nginx，HAProxy或云服务商提供的LB服务），将用户流量分散到多个服务器上。
  3. 访问控制，实现API Gateway（如用Apache APISIX等），负责认证鉴权、限流降级、路由转发等功能，保护后端服务免受恶意攻击和过载影响
  4. 采用微服务架构，将系统拆分为多个小的服务，每个服务独立部署和扩容
数据方面：
  1. 分布式数据库集群：分区分库（如：按照用户标识哈希分区，实现数据水平扩展和冗余备份等）；使用分布式数据库（如Cassandra、MongoDB等）
  2. 缓存数据：缓存热点数据(如：用户列表等)，提高读取性能 （如redis）
  3. 索引与搜索：对于历史聊天记录查询，建立全文索引，提供高效检索功能（如 Elasticsearch）。
扩展性与容错性
  1. 服务网格：实现服务间通信的自动化管理和故障恢复（如用Istio、Linkerd等服务网格技术）
  2. 熔断降级：防止服务雪崩，并在必要时采取降级策略（如用Hystrix或其他熔断工具）
  3. 限流与拥塞控制：在用户量过大或者网络拥堵时启用限流机制以防止系统过载。同时实施拥塞控制策略来管理网络中的数据包数量并避免网络拥塞的发生。

对于即时通讯服务器，tim同样适用于以上的策略。但是，tim本身也具备了相当的海量并发用户解决能力：

  1. 去中心化分布式架构 《tim实践系列——去中心化分布式架构特点》
  2. 分区分库数据库存储《tim实践系列——分布式数据存储与动态数据库扩容》
  3. 访问控制，限流降级 《tim实践系列——tim的限流，报文长度，连接数，请求频率》

以上3篇文章讲述了tim的集群架构特点，数据存储能力，安全限流等措施。实际上，除了限流措施，tim还提供了系列的验证，接口安全调用等措施。

所以要构建支持亿级别在线用户的即时通讯系统，tim自身可以解决的若干问题和架构要解决的问题：

  1. 分布式集群问题，tim自身集群策略，并不依赖第三方服务，如MQ等服务tim并不需要。但是如果需要部署多个tim集群时，使tim集群与另外tim集群之间可以通讯，是可以通过消息队列等方法来实现的。tim有计划实现 cluster to cluster 通讯，但是目前还未实现。
  2. 负载均衡，可以将用户流量分散到多个tim节点上。负载均衡可以有多种方式，如使用 硬件负载均衡（F5 BIG-IP等），软件负载均衡(Nginx、HAProxy、Envoy、Traefik、LVS等)，云负载均衡(阿里云SLB等)，DNS负载均衡(Amazon Route 53等)，也可以在客户端实现负载均衡,即应用程序内部实现的负载均衡逻辑按照策略自行决定请求哪个服务实例。负载均衡是必要的措施，tim本身不具备负载均衡的功能。
  3. 访问控制：tim本身的限流需要实施，保证每个tim节点的安全性，稳定性，可靠性。在用户到tim之间的可以实现API Gateway，进一步实现限流降级。
  4. 数据存储：tim本身的分区分库可以支持 100万台独立的数据库节点。虽然一个tim节点可能无法同时连接100万台数据库，但实际业务中，一般几十台或几百台数据库已经可以支持大部分业务的数据量。tim也支持mysql，Oracle，oceanbase等数据库，都有相关的大数据解决方案。
  5. 缓存数据：缓存热点数据，提高读取性能，这是必要的。在实际业务中，大部分数据可以不访问tim而是从业务服务器获得。所以应当缓存热点数据，如用户花名册，用户资料等信息，提供业务接口，减轻im的压力。让im专注解决通讯问题，而非与通讯无直接关联性的用户资料等问题。
  6. 熔断降级：一个服务系统的资源是有限的。当一个集群节点崩溃或断开后，负载均衡通常会把流量分配到其他节点上，这样可能出现雪崩的情况。另外，被依赖的服务故障后，也可能导致前面调用的服务阻塞导致整个服务不可用。这些情况需要有熔断降级的策略，如：拉取某个分区数据多次失败后，停止对该服务的后续请求，释放资源并保护整个系统的稳定性。降低部分功能的服务质量以保证核心业务流程不受影响，对非核心功能进行降级处理，如缓存数据、简化页面展示、禁用部分交互功能等。
  7. 将与通讯核心业务无关的功能微服务化，独立扩展和优化，降低了系统的耦合度。如，用户资料，群资料，用户列表，好友列表，群列表，黑名单等等业务，与im核心业务没有直接关联性，或关联性很小，可以拆分为微服务模块。


构建亿级别在线用户的即时消息系统或更高数据量的系统，不是一个大框架就可以解决的的问题，需要结合业务特点，从许多细微的地方入手才能更好的搭建符合实际业务情况的合理架构。



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