故事背景

在直播行业一个超人气的直播间有时在线人数超过千万,弹幕数量每秒几百万,那么支持这样级别的消息推送技术背后是怎么实现的呢?如果有兴趣可以跟着本文一块分析学习。

ig.png

首先介绍两种获取消息的模式

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

websocket.png

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

/*
* @Author: Hifun
* @Date: 2020/1/6 17:21
 */
package main

import (
    "github.com/golang/impl"
    "github.com/gorilla/websocket"
    "net/http"
    "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) {
    var (
        wsConn *websocket.Conn
        err    error
        data   []byte
        conn   *impl.Connection
    )
    if wsConn, err = upgrader.Upgrade(w, r, nil); err != nil {
        return
    }

    if conn, err = impl.InitConnection(wsConn); err != nil {
        goto ERR
    }

    go func() {
        var (
            err error
        )
        for {
            if err = conn.WriteMessage([]byte("heartbeat")); err != nil {
                return
            }
            time.Sleep(2 * 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(":7777", nil)
}

前端页面 html (示例) 测试用




    go websocket
      


    
        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('RESPONSE: '+ evt.data+''); 
           // websocket.close(); 
        }  
     
        function onError(evt) { 
            writeToScreen('ERROR: '+ 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(); 
        }
    
    

WebSocket Test

封装WebSocket

这里解释一下为什么要封装起来

1.缺乏工程化设计,其他代码模块无法直接操作Websocket连接。
2.websocket连接非线程安全,并发读/写需要同步手段。(ReadMessage、WriteMessage一次只能有一个在执行)

这里再解释一下线程安全

线程安全: 指多个线程在执行同一段代码的时候采用加锁机制,使每次的执行结果和单线程执行的结果都是一样的,不存在执行程序时出现意外结果。

下面是封装的代码,我这里定义了一个包,放到了GOPATH里
/*
* @Author: Hifun
* @Date: 2020/1/7 16:01
 */
package impl

import (
    "errors"
    "github.com/gorilla/websocket"
    "sync"
)

type Connection struct {
    wsConn    *websocket.Conn
    inChan    chan []byte
    outChan   chan []byte
    closeChan chan byte

    mutex    sync.Mutex
    isClosed bool
}

func InitConnection(wsConn *websocket.Conn) (conn *Connection, err error) {
    conn = &Connection{
        wsConn:    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
}

// API
func (conn *Connection) ReadMessage() (data []byte, err error) {
    select {
    case data = 

千万级弹幕系统的架构设计分析

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

simple.png

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:

    http.png

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。理论远比不上实践,动手敲一遍吧!

文章来源于互联网:GO实现WebSocket消息推送服务技术分析

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