本文原作者Chank，原题“如何设计一个亿级消息量的 IM 系统”，为了提升内容质量，本次有修订和改动。

　　本文将在亿级消息量、分布式IM系统这个技术前提下，分析和总结实现这套系统所需要掌握的知识点，内容没有高深的技术概念，尽量做到新手老手皆能读懂。

　　本文不会给出一套通用的IM方案，也不会评判某种架构的好坏，而是讨论设计IM系统的常见难题跟业界的解决方案。

　　因为也没有所谓的通用IM架构方案，不同的解决方案都各有其优缺点，只有最满足业务的系统才是一个好的系统。

　　在人力、物力、时间资源有限的前提下，通常需要做出很多权衡，此时，一个能够支持快速迭代、方便扩展的IM系统才是最优解。

　　1）消息：是指用户之间的沟通内容（通常在IM系统中，消息会有以下几类：文本消息、表情消息、图片消息、视频消息、文件消息等等）。

　　4）终端：指用户使用IM系统的机器（通常有端、iOS端、Web端等等）。

　　是指用户与用户之间的关系，通常有单向的好友关系、双向的好友关系、关注关系等等（这里需要注意与会话的区别：用户只有在发起聊天时才产生会话IM电竞，但关系并不需要聊天才能建立。对于关系链的存储，可以使用图数据库（Neo4j等等），可以很自然地表达现实世界中的关系，易于建模）。8）

　　在电商领域，通常需要对用户提供售前咨询、售后咨询等服务（这时，就需要引入客服来处理用户的咨询）。11）

　　在电商领域，一个店铺通常会有多个客服，此时决定用户的咨询由哪个客服来处理就是消息分流（通常消息分流会根据一系列规则来确定消息会分流给哪个客服，例如客服是否在线（客服不在线的话需要重新分流给另一个客服）、该消息是售前咨询还是售后咨询、当前客服的繁忙程度等等）。12）

　　A与每个聊天的人跟群都有一个信箱（有些博文会叫Timeline，见《现代IM系统中聊天消息的同步和存储方案探讨》），A在查看聊天信息的时候需要读取所有有新消息的信箱。

　　在Feeds系统中，每个人都有一个写信箱，写只需要往自己的写信箱里写一次就好了，读需要从所有关注的人的写信箱里读。但IM系统里的读扩散通常是每两个相关联的人就有一个信箱，或者每个群一个信箱。

　　读操作（读消息）很重，在复杂业务下，一条读扩散消息源需要复杂的逻辑才能扩散成目标消息。4.2 写扩散

　　1）单聊：往自己的信箱跟对方的信箱都写一份消息，同时，如果需要查看两个人的聊天历史记录的话还需要再写一份（当然，如果从个人信箱也能回溯出两个人的所有聊天记录，但这样效率会很低）；

　　2）群聊：需要往所有的群成员的信箱都写一份消息，同时，如果需要查看群的聊天历史记录的话还需要再写一份。可以看出，写扩散对于群聊来说大大地放大了写操作。

　　实际上群聊中消息扩散是IM开发中的技术痛点，有兴趣建议详细阅读：《有关IM群聊技术实现的文章汇总》。

　　写操作很重，尤其是对于群聊来说（因为如果群成员很多的线条消息源要扩散写成“成员数-1”条目标消息，这是很恐怖的）。

　　《IM消息ID技术专题(二)：微信的海量IM聊天消息序列号生成实践（容灾方案篇）》《IM消息ID技术专题(三)：解密融云IM产品的聊天消息ID生成策略》《IM消息ID技术专题(四)：深度解密美团的分布式ID生成算法》《IM消息ID技术专题(五)：开源分布式ID生成器UidGenerator的技术实现》《IM消息ID技术专题(六)：深度解密滴滴的高性能ID生成器(Tinyid)》

　　我们先看看不递增的线）使用字符串，浪费存储空间，而且不能利用存储引擎的特性让相邻的消息存储在一起，降低消息的写入跟读取性能；

　　全局递增：指消息ID在整个IM系统随着时间的推移是递增的。全局递增的话一般可以使用Snowflake（当然，Snowflake也只是worker级别的递增）。此时，如果你的系统是读扩散的话为了防止消息丢失，那每一条消息就只能带上上一条消息的ID，前端根据上一条消息判断是否有丢失消息，有消息丢失的话需要重新拉一次。

　　用户级别递增：指消息ID只保证在单个用户中是递增的，不同用户之间不影响并且可能重复。典型代表：微信（见《微信的海量IM聊天消息序列号生成实践（算法原理篇）》）。如果是写扩散系统的话信箱时间线ID跟消息ID需要分开设计，信箱时间线ID用户级别递增，消息ID全局递增。如果是读扩散系统的话感觉使用用户级别递增必要性不是很大。

　　对于读扩散来说，消息ID使用连续递增就是一种不错的方式了。如果使用单调递增的话当前消息需要带上前一条消息的ID（即聊天消息组成一个链表），这样，才能判断消息是否丢失。

　　前东家就是使用的上面第1种方式，第1种方式有个硬伤：随着业务在全球的扩展，32位的用户ID如果不够用需要扩展到64位的话那就需要大刀阔斧地改了。32位整形ID看起来能够容纳21亿个用户，但通常我们为了防止别人知道真实的用户数据，使用的ID通常不是连续的IM电竞，这时32位的用户ID就完全不够用了。该设计完全依赖于用户ID，不是一种可取的设计方式。

　　2）拉模式：由前端主动发起拉取消息的请求，为了保证消息的实时性，一般采用推模式，拉模式一般用于获取历史消息；

　　可以使用推拉结合模式解决推模式可能会丢消息的问题：即在用户发新消息时服务器推送一个通知，然后前端请求最新消息列表，为了防止有消息丢失，可以再每隔一段时间主动请求一次。可以看出，使用推拉结合模式最好是用写扩散，因为写扩散只需要拉一条时间线的个人信箱就好了，而读扩散有N条时间线（每个信箱一条），如果也定时拉取的线、业界的IM解决方案参考

　　研究业界的主流方案有助于我们深入理解IM系统的设计。以下研究都是基于网上已经公开的资料，不一定正确，大家仅作参考就好了。

　　从微信公开的《快速裂变：见证微信强大后台架构从0到1的演进历程（二）》这篇文章可以看出，微信采用的主要是：写扩散 + 推拉结合。由于群聊使用的也是写扩散，而写扩散很消耗资源，因此微信群有人数上限（目前是500）。所以这也是写扩散的一个明显缺点，如果需要万人群就比较难了。

　　从微信公开的《微信的海量IM聊天消息序列号生成实践（容灾方案篇）》这篇文章可以看出，微信的ID设计采用的是：基于申请DB步长的生成方式 + 用户级别递增。

　　但聊到阿里的IM系统，不得不提的是阿里自研的Tablestore：一般情况下，IM系统都会有一个自增ID生成系统，但Tablestore创造性地引入了主键列自增，即把ID的生成整合到了DB层，支持了用户级别递增（传统MySQL等DB只能支持表级自增，即全局自增），具体可以参考：《如何优化高并发IM系统架构》。

　　钉钉团队公开的技术很少，这是另一篇：《钉钉——基于IM技术的新一代企业OA平台的技术挑战(视频+PPT)》，有兴趣可以研究研究。

　　是的，Twitter是Feeds系统，但Feeds系统跟IM系统其实有很多设计上的共性，研究下Feeds系统有助于我们在设计IM系统时进行参考。再说了，研究下Feeds系统也没有坏处，扩展下技术视野嘛。

　　Twitter的自增ID设计估计大家都耳熟能详了，即大名鼎鼎的 Snowflake，因此ID是全局递增的。

　　对于粉丝数不多的用户如果发Twitter使用的还是写扩散模型，由Timeline Mixer服务将用户的Timeline、大V的写Timeline跟系统推荐等内容整合起来，最后再由API Services返回给用户。

　　看到这里，估计大家已经明白了，设计一个IM系统很有挑战性。我们还是继续来看设计一个IM系统需要考虑的问题吧。

　　即时通讯网也收录了大量其它的业界IM或类IM系统的设计方案，限于篇幅原因这里就不一一列出，有兴趣可以选择性地阅读，一下是文章汇总。

　　《一套高可用、易伸缩、高并发的IM群聊、单聊架构方案设计实践》《从游击队到正规军(一)：马蜂窝旅游网的IM系统架构演进之路》《从游击队到正规军(三)：基于Go的马蜂窝旅游网分布式IM系统技术实践》《瓜子IM智能客服系统的数据架构设计（整理自现场演讲，有配套PPT）》《阿里技术分享：电商IM消息平台，在群聊、直播场景下的技术实践》《一套亿级用户的IM架构技术干货(上篇)：整体架构、服务拆分等》8、IM需要解决的技术痛点8.1 如何保证消息的实时性PS：如果你还不了解IM里的消息实时性是什么，务必先读这篇《零基础IM开发入门(二)：什么是IM系统的实时性？》；在通信协议的选择上，我们主要有以下几个选择：1）使用TCP Socket通信，自己设计协议：58到家等等；

　　2）使用UDP Socket通信：QQ等等（见《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议？》）；

　　不管使用哪种方式，我们都能够做到消息的实时通知，但影响我们消息实时性的可能会在我们处理消息的方式上。

　　假如我们推送的时候使用MQ去处理并推送一个万人群的消息，推送一个人需要2ms，那么推完一万人需要20s，那么后面的消息就阻塞了20s。如果我们需要在10ms内推完，那么我们推送的并发度应该是：人数：10000 / (推送总时长：10 / 单个人推送时长：2) = 2000。

　　我们在选择具体的实现方案的时候一定要评估好我们系统的吞吐量，系统的每一个环节都要进行评估压测。只有把每一个环节的吞吐量评估好了，才能保证消息推送的实时性。

　　《移动端IM中大规模群消息的推送如何保证效率、实时性？》8.2 如何保证消息时序

　　在IM的技术实现中，以下情况下消息可能会乱序（提示：如果你还不了解什么是IM的消息时序，务必先阅读《零基础IM开发入门(四)：什么是IM系统的消息时序一致性？》）。

　　）发送消息如果使用的不是长连接，而是使用HTTP的话可能会出现乱序：因为后端一般是集群部署，使用HTTP的话请求可能会打到不同的服务器，由于网络延迟或者服务器处理速度的不同，后发的消息可能会先完成，此时就产生了消息乱序。解决方案：

　　1）前端依次对消息进行处理，发送完一个消息再发送下一个消息。这种方式会降低用户体验，一般情况下不建议使用；

　　2）带上一个前端生成的顺序ID，让接收方根据该ID进行排序。这种方式前端处理会比较麻烦一点，而且聊天的过程中接收方的历史消息列表中可能会在中间插入一条消息，这样会很奇怪，而且用户可能会漏读消息。但这种情况可以通过在用户切换窗口的时候再进行重排来解决，接收方每次收到消息都先往最后面追加。

　　）通常为了优化体验，有的IM系统可能会采取异步发送确认机制（例如：QQ）：即消息只要到达服务器，然后服务器发送到MQ就算发送成功。如果由于权限等问题发送失败的话后端再推一个通知下去。

　　1）按to_user_id进行Sharding：使用该策略如果需要做多端同步的话发送方多个端进行同步可能会乱序，因为不同队列的处理速度可能会不一样。例如发送方先发送m1然后发送m2，但服务器可能会先处理完m2再处理m1，这里其它端会先收到m2然后是m1，此时其它端的会线）按conversation_id进行Sharding：使用该策略同样会导致多端同步会乱序；

　　3）按from_user_id进行Sharding：这种情况下使用该策略是比较好的选择。

　　通常为了优化性能，推送前可能会先往MQ推，这种情况下使用to_user_id才是比较好的选择。

　　PS：实际上，导致IM消息乱序的可能性还有很多，这里就不一一展开，以下几篇值得深入阅读。

　　要实现用户在线状态的存储，主要可以使用：1）Redis；2）分布式一致性哈希来。

　　PS：用户状态在客户端的更新也是个很有挑战性的问IM电竞题，有兴趣可以读一下《IM单聊和群聊中的在线状态同步应该用“推”还是“拉”？》。

　　前面也提到过：对于读扩散，消息的同步主要是以推模式为主，单个会话的消息ID顺序递增，前端收到推的消息如果发现消息ID不连续就请求后端重新获取消息。

　　为了加大消息的可靠性：可以在历史会话列表的会话里再带上最后一条消息的ID，前端在收到新消息的时候会先拉取最新的会话列表，然后判断会话的最后一条消息是否存在，如果不存在，消息就可能丢失了，前端需要再拉一次会话的消息列表；如果会话的最后一条消息ID跟消息列表里的最后一条消息ID一样，前端就不再处理。

　　这种做法的性能瓶颈会在拉取历史会话列表那里，因为每次新消息都需要拉取后端一次，如果按微信的量级来看，单是消息就可能会有20万的QPS，如果历史会话列表放到MySQL等传统DB的话肯定抗不住。

　　因此，最好将历史会话列表存到开了AOF（用RDB的话可能会丢数据）的Redis集群。这里只能感慨性能跟简单性不能兼得。

　　未读数一般分为会话未读数跟总未读数，如果处理不当，会话未读数跟总未读数可能会不一致，严重降低用户体验。

　　对于读扩散来说，我们可以将会话未读数跟总未读数都存在后端，但后端需要保证两个未读数更新的原子性跟一致性。

　　1）使用Redis的multi事务功能，事务更新失败可以重试。但要注意如果你使用Codis集群的话并不支持事务功能；

　　2）使用Lua嵌入脚本的方式。使用这种方式需要保证会话未读数跟总未读数都在同一个Redis节点（Codis的话可以使用Hashtag）。这种方式会导致实现逻辑分散，加大维护成本。

　　对于写扩散来说，服务端通常会弱化会话的概念，即服务端不存储历史会话列表。未读数的计算可由前端来负责，标记已读跟标记未读可以只记录一个事件到信箱里，各个端通过重放该事件的形式来处理会话未读数。

　　使用这种方式可能会造成各个端的未读数不一致，至少微信就会有这个问题（Jack Jiang 注：实际上QQ也同样有这个问题，在分布式和多端IM中这确实是个很头痛的问题，大家都不会例外，哈哈 ~~）。

　　如果写扩散也通过历史会话列表来存储未读数的话那用户时间线服务跟会话服务紧耦合，这个时候需要保证原子性跟一致性的话那就只能使用分布式事务了，会大大降低系统的性能。

　　对于写扩散，需要存储两份，一份是以用户为Timeline的消息列表，一份是以会话为Timeline的消息列表。以用户为Timeline的消息列表可以用用户ID来做Sharding，以会话为Timeline的消息列表可以用会话ID来做Sharding。

　　如果你对Timeline这个概念不熟悉，请读这篇《现代IM系统中聊天消息的同步和存储方案探讨》。

　　对于IM来说，历史消息的存储有很强的时间序列特性，时间越久，消息被访问的概率也越低，价值也越低。

　　1）硬件负载均衡：例如F5、A10等等。硬件负载均衡性能强大，稳定性高，但价格非常贵，不是土豪公司不建议使用；

　　2）使用DNS实现负载均衡：使用DNS实现负载均衡比较简单，但使用DNS实现负载均衡如果需要切换或者扩容那生效会很慢，而且使用DNS实现负载均衡支持的IP个数有限制、支持的负载均衡策略也比较简单；

　　4）DNS + 4层负载均衡：4层负载均衡一般比较稳定，很少改动，比较适合于长连接。

　　这是因为7层负载均衡很耗CPU，并且经常需要扩容或者缩容，对于大型网站来说可能需要很多7层负载均衡服务器，但只需要少量的4层负载均衡服务器即可。因此，该架构对于HTTP等短连接大型应用很有用。

　　当然，如果流量不大的线层负载均衡即可。但对于长连接来说，加入7层负载均衡Nginx就不大好了。因为Nginx经常需要改配置并且reload配置im新闻，reload的时候TCP连接会断开，造成大量掉线。

　　对于长连接的接入层，如果我们需要更加灵活的负载均衡策略或者需要做灰度的话，那我们可以引入一个调度服务。

　　看完上面的内容你应该能深刻体会到，要实现一个稳定可靠的大用户量分布式IM系统难度是相当大的，所谓路漫漫其修远兮。。。在不断追求体验更好、性能更高、负载更多、成本更低的动力下，IM架构优化这条路是没有尽头的，所以为了延缓程序员发量较少的焦虑，大家代码一定要悠着点撸，头凉是很难受滴 ~~

　　[5] IM消息ID技术专题(二)：微信的海量IM聊天消息序列号生成实践（容灾方案篇）[6] 快速裂变：见证微信强大后台架构从0到1的演进历程（二）

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