千万级WebSocket消息推送服务技术分析
80204058 2018-10-26
拉模式和推模式区别
拉模式（定时轮询访问接口获取数据）
数据更新频率低，则大多数的数据请求时无效的
在线用户数量多，则服务端的查询负载很高
定时轮询拉取，无法满足时效性要求
推模式（向客户端进行数据的推送）
仅在数据更新时，才有推送
需要维护大量的在线长连接
数据更新后，可以立即推送
基于WebSocket协议做推送
浏览器支持的socket编程，轻松维持服务端的长连接
基于TCP协议之上的高层协议，无需开发者关心通讯细节
提供了高度抽象的编程接口，业务开发成本较低
WebSocket协议的交互流程
客户端首先发起一个Http请求到服务端，请求的特殊之处，在于在请求里面带了一个upgrade的字段，告诉服务端，我想生成一个websocket的协议，服务端收到请求后，会给客户端一个握手的确认，返回一个switching， 意思允许客户端向websocket协议转换，完成这个协商之后，客户端与服务端之间的底层TCP协议是没有中断的，接下来，客户端可以向服务端发起一个基于websocket协议的消息，服务端也可以主动向客户端发起websocket协议的消息，websocket协议里面通讯的单位就叫message。
传输协议原理
协议升级后，继续复用Http协议的底层socket完成后续通讯
message底层会被切分成多个frame帧进行传输，从协议层面不能传输一个大包，只能切成一个个小包传输
编程时，只需操作message，无需关心frame（属于协议和类库自身去操作的）
框架底层完成TCP网络I/O，WebSocket协议的解析，开发者无需关心
服务端技术选型与考虑
NodeJs
单线程模型（尽管可以多进程），推送性能有限
C/C++
TCP通讯、WebSocket协议实现成本高
Go
多线程，基于协程模型并发
Go语言属于编译型语言，运行速度并不慢
成熟的WebSocket标准库，无需造轮子
基于Go实现WebSocket服务端
用Go语言对WebSocket做一个简单的服务端实现，以及HTML页面进行调试，并对WebSocket封装，这里就直接给出代码了。
WebSocket服务端
package main
import (
"net/http"
"github.com/gorilla/websocket"
"github.com/myproject/gowebsocket/impl"
"time"
)
var(
upgrader = websocket.Upgrader{
// 允许跨域
CheckOrigin:func(r *http.Request) bool{
return true
},
}
)
func wsHandler(w http.ResponseWriter , r *http.Request){
//w.Write([]byte("hello"))
var(
wsConn *websocket.Conn
err error
conn *impl.Connection
data []byte
)
// 完成ws协议的握手操作
// Upgrade:websocket
if wsConn , err = upgrader.Upgrade(w,r,nil); err != nil{
return
}
if conn , err = impl.InitConnection(wsConn); err != nil{
goto ERR
}
// 启动线程，不断发消息
go func(){
var (err error)
for{
if err = conn.WriteMessage([]byte("heartbeat"));err != nil{
return
}
time.Sleep(1*time.Second)
}
}()
for {
if data , err = conn.ReadMessage();err != nil{
goto ERR
}
if err = conn.WriteMessage(data);err !=nil{
goto ERR
}
}
ERR:
conn.Close()
}
func main(){
http.HandleFunc("/ws",wsHandler)
http.ListenAndServe("0.0.0.0:7777",nil)
}
前端页面
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>go websocket</title>
<meta charset="utf-8" />
</head>
<body>
<script type="text/javascript">
var wsUri ="ws://127.0.0.1:7777/ws";
var output;
function init() {
output = document.getElementById("output");
testWebSocket();
}
function testWebSocket() {
websocket = new WebSocket(wsUri);
websocket.onopen = function(evt) {
onOpen(evt)
};
websocket.onclose = function(evt) {
onClose(evt)
};
websocket.onmessage = function(evt) {
onMessage(evt)
};
websocket.onerror = function(evt) {
onError(evt)
};
}
function onOpen(evt) {
writeToScreen("CONNECTED");
// doSend("WebSocket rocks");
}
function onClose(evt) {
writeToScreen("DISCONNECTED");
}
function onMessage(evt) {
writeToScreen('<span style="color: blue;">RESPONSE: '+ evt.data+'</span>');
// websocket.close();
}
function onError(evt) {
writeToScreen('<span style="color: red;">ERROR:</span> '+ evt.data);
}
function doSend(message) {
writeToScreen("SENT: " + message);
websocket.send(message);
}
function writeToScreen(message) {
var pre = document.createElement("p");
pre.style.wordWrap = "break-word";
pre.innerHTML = message;
output.appendChild(pre);
}
window.addEventListener("load", init, false);
function sendBtnClick(){
var msg = document.getElementById("input").value;
doSend(msg);
document.getElementById("input").value = '';
}
function closeBtnClick(){
websocket.close();
}
</script>
<h2>WebSocket Test</h2>
<input type="text" id="input"></input>
<button onclick="sendBtnClick()" >send</button>
<button onclick="closeBtnClick()" >close</button>
<div id="output"></div>
</body>
</html>
封装WebSocket
package impl
import (
"github.com/gorilla/websocket"
"sync"
"errors"
)
type Connection struct{
wsConnect *websocket.Conn
inChan chan []byte
outChan chan []byte
closeChan chan byte
mutex sync.Mutex // 对closeChan关闭上锁
isClosed bool // 防止closeChan被关闭多次
}
func InitConnection(wsConn *websocket.Conn)(conn *Connection ,err error){
conn = &Connection{
wsConnect:wsConn,
inChan: make(chan []byte,1000),
outChan: make(chan []byte,1000),
closeChan: make(chan byte,1),
}
// 启动读协程
go conn.readLoop();
// 启动写协程
go conn.writeLoop();
return
}
func (conn *Connection)ReadMessage()(data []byte , err error){
select{
case data = <- conn.inChan:
case <- conn.closeChan:
err = errors.New("connection is closeed")
}
return
}
func (conn *Connection)WriteMessage(data []byte)(err error){
select{
case conn.outChan <- data:
case <- conn.closeChan:
err = errors.New("connection is closeed")
}
return
}
func (conn *Connection)Close(){
// 线程安全，可多次调用
conn.wsConnect.Close()
// 利用标记，让closeChan只关闭一次
conn.mutex.Lock()
if !conn.isClosed {
close(conn.closeChan)
conn.isClosed = true
}
conn.mutex.Unlock()
}
// 内部实现
func (conn *Connection)readLoop(){
var(
data []byte
err error
)
for{
if _, data , err = conn.wsConnect.ReadMessage(); err != nil{
goto ERR
}
//阻塞在这里，等待inChan有空闲位置
select{
case conn.inChan <- data:
case <- conn.closeChan:// closeChan 感知 conn断开
goto ERR
}
}
ERR:
conn.Close()
}
func (conn *Connection)writeLoop(){
var(
data []byte
err error
)
for{
select{
case data= <- conn.outChan:
case <- conn.closeChan:
goto ERR
}
if err = conn.wsConnect.WriteMessage(websocket.TextMessage , data); err != nil{
goto ERR
}
}
ERR:
conn.Close()
}
千万级弹幕系统的架构设计
技术难点
内核瓶颈
推送量大：100W在线 * 10条/每秒 = 1000W条/秒
内核瓶颈：linux内核发送TCP的极限包频 ≈ 100W/秒
锁瓶颈
需要维护在线用户集合（100W用户在线），通常是一个字典结构
推送消息即遍历整个集合，顺序发送消息，耗时极长
推送期间，客户端仍旧正常的上下线，集合面临不停的修改，修改需要遍历，所以集合需要上锁
CPU瓶颈
浏览器与服务端之间一般采用的是JSon格式去通讯
Json编码非常耗费CPU资源
向100W在线推送一次，则需100W次Json Encode
优化方案
内核瓶颈
减少网络小包的发送，我们将网络上几百字节定义成网络的小包了，小包的问题是对内核和网络的中间设备造成处理的压力。方案是将一秒内N条消息合并成1条消息，合并后，每秒推送数等于在线连接数。
锁瓶颈
大锁拆小锁，将长连接打散到多个集合中去，每个集合都有自己的锁，多线程并发推送集合，线程之间推送的集合不同，所以没有锁的竞争关系，避免锁竞争。
读写锁取代互斥锁，多个推送任务可以并发遍历相同集合
CPU瓶颈
减少重复计算，Json编码前置，1次消息编码+100W次推送，消息合并前置，N条消息合并后，只需要编码一次。
单机架构
最外层是在线的长连接，连接到服务端后，打散到多个集合里面存储，我们要发送的消息呢，通过打包后，经过json编码，被多个线程或协程分发到多个集合中去，最终推给了所有的在线连接。
单机瓶颈
维护海量长连接，会花费不少内存
消息推送的瞬时，消耗大量的CPU
消息推送的瞬时带宽高达400-600Mb（4-6Gbits），需要用到万兆网卡，是主要瓶颈
集群
部署多个节点，通过负载均衡，把连接打散到多个 服务器上，但推送消息的时候，不知道哪个直播间在哪个节点上，最常用的方式是将消息广播给所有的网关节点，此时就需要做一个逻辑集群。
逻辑集群
基于Http2协议向gateway集群分发消息（Http2支持连接复用，用作RPC性能更佳，即在单个连接上可以做高吞吐的请求应答处理）
基于Http1协议对外提供推送API（Http1更加普及，对业务方更加友好）
整体分布式架构图如下：
任何业务方通过Http接口调用到逻辑集群，逻辑集群把消息广播给所有网关，各个网关各自将消息推送给在线的连接即可。
本文讲解了开发消息推送服务的难点与解决方案的大体思路，按照整个理论流程下来，基本能实现一套弹幕消息推送的服务。
