Worktile 中百万级实时消息推送服务的实现

摘要：相较于手机端的消息推送（一般都是以Socket方式实现），WEB端是基于HTTP协议，很难像TCP一样保持长连接。但随着技术的发展，出现了WebSocket，Comet等新的技术可以达到类似长连接的效果。

在团队协同工具 Worktile的使用过程中，你会发现无论是右上角的消息通知，还是在任务面板中拖动任务，还有用户的在线状态，都是实时刷新。Worktile中的推送服务是采用的是基于XMPP协议、Erlang语言实现的Ejabberd，并在其源码基础上，结合我们的业务，对源码作了修改以适配我们自身的需求。另外，基于AMQP协议也可以作为实时消息推送的一种选择，踢踢网就是采用 RabbitMQ+STOMP协议实现的消息推送服务。本文将结合我在Worktile和踢踢网的项目实践，介绍下消息推送服务的具体实现。

实时推送的几种实现方式

相较于手机端的消息推送（一般都是以Socket方式实现），WEB端是基于HTTP协议，很难像TCP一样保持长连接。但随着技术的发展，出现了WebSocket，Comet等新的技术可以达到类似长连接的效果，这些技术大体可分为以下几类：

1）短轮询。页面端通过JS定时异步刷新，这种方式实时效果较差。

2）长轮询。页面端通过JS异步请求服务端，服务端在接收到请求后，如果该次请求没有数据，则挂起这次请求，直到有数据到达或时间片（服务端设定）到，则返回本次请求，客户端接着下一次请求。示例如下：

3）WebSocket。浏览器通过WebSocket协议连接服务端，实现了浏览器和服务器端的全双工通信。需要服务端和浏览器都支持WebSocket协议。

以上几种方式中，方式1实现较简单，但效率和实时效果较差。方式2对服务端实现的要求比较高，尤其是并发量大的情况下，对服务端的压力很大。方式3效率较高，但对较低版本的浏览器不支持，另外服务端也需要有支持WebSocket的实现。Worktile的WEB端实时消息推送，采用的是XMPP扩展协议XEP-0124 BOSH( http://xmpp.org/extensions/xep-0124.html)，本质是采用方式2长轮询的方式。踢踢网则采用了WebSocket连接RabbitMQ的方式实现，下面我会具体介绍如何用这两种方式实现Server Push。

运行时环境准备

服务端的实现中，无论采用Ejabberd还是RabbitMQ，都是基于Erlang语言开发的，所以必须安装Erlang运行时环境。Erlang是一种函数式语言，具有容错、高并发的特点，借助OTP的函数库，很容易构建一个健壮的分布式系统。目前，基于Erlang开发的产品有，数据库方面：Riak（Dynamo实现）、CouchDB， Webserver方面：Cowboy、Mochiweb， 消息中间件有RabbitMQ等。对于服务端程序员来说，Erlang提供的高并发、容错、热部署等特性是其他语言无法达到的。无论在实时通信还是在游戏程序中，用Erlang可以很容易为每一个上线用户创建一个对应的Process，对一台4核8个G的服务器来说，承载上百万个这样的Process是非常轻松的事。下图是Erlang程序发起Process的一般性示意图：

如图所示，Session Manager(or Gateway)负责为每个用户（UID）创建相对应的Process， 并把这个对应关系（MAP）存放到数据表中。每个Process则对应用户数据，并且他们之间可以相互发送消息。Erlang的优势就是在内存足够的情况下创建上百万个这样的Process，而且它的创建和销毁比JAVA的Thread要轻量的多，两者不是一个数量级的。

好了，我们现在开始着手Erlang环境的搭建（实验的系统为Ubuntu 12.04, 4核8个G内存）：

1、依赖库安装

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sudo apt-get install build-essential

sudo apt-get install libncurses5-dev

sudo apt-get install libssl-dev libyaml-dev

sudo apt-get install m4

sudo apt-get install unixodbc unixodbc-dev

sudo apt-get install freeglut3-dev libwxgtk2.8-dev

sudo apt-get install xsltproc

sudo apt-get install fop tk8.5 libxml2-utils

2、官网下载OTP源码包( http://www.erlang.org/download.html), 解压并安装：

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tar zxvf otpsrcR16B01.tar.gz

cd otpsrcR16B01

configure

make & make install

至此，erlang运行环境就完成了。下面将分别介绍rabbitmq和ejabberd构建实时消息服务。

基于RabbitMQ的实时消息服务

RabbitMQ是在业界广泛应用的消息中间件，也是对AMQP协议实现最好的一种中间件。AMQP协议中定义了Producer、 Consumer、MessageQueue、Exchange、Binding、Virtual Host等实体，他们的关系如下图所示：

消息发布者(Producer)连接交换器（Exchange）, 交换器和消息队列（Message Queue）通过KEY进行Binding，Binding是根据Exchange的类型（分为Fanout、Direct、Topic、Header）分别对消息作不同形式的派发。Message Queue又分为Durable、Temporary、Auto-Delete三种类型，Durable Queue是持久化队列，不会因为服务ShutDown而消失，Temporary Queue则服务重启后会消失，Auto-Delete则是在没有Consumer连接时自动删除。另外RabbitMQ有很多第三方插件，可以基于AMQP协议基础之上做出很多扩展的应用。下面我们将介绍WEB STOMP插件构建基于AMQP之上的STOMP文本协议，通过浏览器WebSocket达到实时的消息传输。系统的结构如图：

如图所示，WEB端我们使用STOMP.JS和SockJS.JS与RabbitMQ的WEB STOMP Plugin通信，手机端可以用STOMPj, Gozirra(Android)或者Objc-STOMP(IOS)通过STOMP协议与RabbitMQ收发消息。因为我们是实时消息系统通常都是要与已有的用户系统结合，RabbitMQ可以通过第三方插件RabbitMQ-AYTH-Backend-HTTP来适配已有的用户系统，这个插件可以通过HTTP接口完成用户连接时的认证过程。当然，认证方式还有LDAP等其他方式。下面介绍具体步骤：

从官网（ http://rabbitmq.com/download.html）下载最新版本的源码包，解压并安装：

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tar zxf rabbitmq-server-x.x.x.tar.gz

cd rabbitmq-server-x.x.x

make & make install

为RabbitMQ安装WEB-STOMP插件

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cd /path/to/your/rabbitmq

./sbin/rabbitmq-plugins enable rabbitmq_web_stomp

./sbin/rabbitmq-plugins enable rabbitmq_web_stomp_examples

./sbin/rabbitmqctl stop

./sbin/rabbitmqctl start

./sbin/rabbitmqctl status

将会显示下图所示的运行的插件列表

安装用户授权插件

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cd /path/to/your/rabbitmq/plugins

wget <a href="http://www.rabbitmq.com/community-plugins/v3.3.x/rabbitmq_auth_backend_http-3.3.x-e7ac6289.ez">http://www.rabbitmq.com/community-plugins/v3.3.x/rabbitmq_auth_backend_http-3.3.x-e7ac6289.ez</a>

cd ..

./sbin/rabbitmq-plugins enable rabbitmq_auth_backend_http

编辑RabbitMQ.Config文件（默认存放于/ECT/RabbitMQ/下），添加：
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[

...

{rabbit, [{auth_backends, [rabbit_auth_backend_http]}]},

...

{rabbitmq_auth_backend_http,

[{user_path, “http://your-server/auth/user”},

{vhost_path, “http://your-server/auth/vhost”},

{resource_path, “http://your-server/auth/resource”}

]}

...

].

其中，User_Path是根据用户名密码进行校验，VHOST_Path是校验是否有权限访问VHOST， Resource_Path是校验用户对传入的Exchange、Queue是否有权限。我下面的代码是用Node.js实现的这三个接口的示例：

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var express = require('express');

var app = express();

app.get('/auth/user', function(req, res){

var name = req.query.username;

var pass = req.query.password;

console.log("name : " + name + ", pass : " + pass);

if(name === 'guest' && pass === "guest"){

console.log("allow");

res.send("allow");

}else{

res.send('deny');

}

});

app.get('/auth/vhost', function(req, res){

console.log("/auth/vhost");

res.send("allow");

});

app.get('/auth/resource', function(req, res){

console.log("/auth/resource");

res.send("allow");

});

app.listen(3000);

浏览器端JS实现，示例代码如下：
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......

var ws = new SockJS('http://' + window.location.hostname + ':15674/stomp');

var client = Stomp.over(ws);

// SockJS does not support heart-beat: disable heart-beats

client.heartbeat.outgoing = 0;

client.heartbeat.incoming = 0;

client.debug = pipe('#second');

var print_first = pipe('#first', function(data) {

client.send('/exchange/feed/user_x', {"content-type":"text/plain"}, data);

});

var on_connect = function(x) {

id = client.subscribe("/exchange/feed/user_x", function(d) {

print_first(d.body);

});

};

var on_error = function() {

console.log('error');

};

client.connect('guest1', 'guest1', on_connect, on_error, '/');

......

需要说明的时，在这里我们首先要在RabbitMQ实例中创建Feed这个Exchange，我们用STOMP.JS连接成功后，根据当前登陆用户的ID（user_x）绑定到这个Exchange，即Subscribe(“/exchange/feed/user_x”, …) 这个操作的行为，这样在向RabbitMQ中Feed Exchange发送消息并指定用户ID(user_x)为KEY，页面端就会通过WEB Socket实时接收到这条消息。

到目前为止，基于RabbitMQ+STOMP实现WEB端消息推送就已经完成，其中很多的细节需要小伙伴们亲自去实践了，这里就不多说了。实践过程中可以参照官方文档：

http://rabbitmq.com/stomp.html
http://rabbitmq.com/web-stomp.html
https://github.com/simonmacmullen/rabbitmq-auth-backend-http

以上的实现是我本人在踢踢网时采用的方式，下面接着介绍一下现在在Worktile中如何通过Ejabberd实现消息推送。

基于Ejabberd的实时消息推送

与RabbitMQ不同，Ejabberd是XMPP协议的一种实现，与AMQP相比，XMPP广泛应用于即时通信领域。XMPP协议的实现有很多种，比如JAVA的OpenFire，但相较其他实现，Ejabberd的并发性能无疑使最优秀的。XMPP协议的前身是Jabber协议，早期的Jabber协议主要包括在线状态（Presence）、好友花名册（Roster）、IQ（Info/Query）几个部分。现在Jabber已经成为RFC的官方标准，如RFC2799，RFC4622，RFC6121，以及XMPP的扩展协议（XEP）。Worktile Web端的消息提醒功能就是基于XEP-0124、XEP-0206定义的BOSH扩展协议。

由于自身业务的需要，我们对Ejabberd的用户认证和好友列表模块的源码进行修改，通过Redis保存用户的在线状态，而不是Mnesia和MySQL。另外好友这块我们是从已有的数据库中（MongoDB）中获取项目或团队的成员。Web端通过Strophe.JS来连接（HTTP-BIND），Strophe.JS可以以长轮询和WebSocket两种方式来连接，由于Ejabberd还没有好的WebSocket的实现，就采用了BOSH的方式模拟长连接。整个系统的结构如下：

Web端用Strophe.JS通过HTTP-BIND进行连接Nginx代理，Nginx反向代理EjabberdCluster。iOS用XMPP-FramWork连接, Android可以用Smack直接连Ejabberd服务器集群。这些都是现有的库，无需对Client进行开发。在线状态根据用户UID作为KEY定义了在线、离线、忙等状态存放于Redis中。好友列表从MongoDB的Project表中获取。用户认证直接修改了Ejabberd_Auth_Internal.erl文件，通过MongoDB驱动连接用户库，在线状态等功能是新加了模块，其部分代码如下:

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-module(wt_mod_proj).

-behaviour(gen_mod).

-behaviour(gen_server).

-include("ejabberd.hrl").

-include("logger.hrl").

-include("jlib.hrl").

-define(SUPERVISOR, ejabberd_sup).

...

-define(ONLINE, 1).

-define(OFFLINE, 0).

-define(BUSY, 2).

-define(LEAVE, 3).

...

%% API

-export([start_link/2, get_proj_online_users/2]).

%% gen_mod callbacks

-export([start/2, stop/1]).

%% gen_server callbacks

-export([init/1, terminate/2, handle_call/3, handle_cast/2, handle_info/2, code_change/3]).

%% Hook callbacks

-export([user_available/1, unset_presence/3, set_presence/4]).

-export([get_redis/1, remove_online_user/3, append_online_user/3]).

...

-record(state,{host = <<"">>, server_host, rconn, mconn}).

start_link(Host, Opts) ->

Proc = gen_mod:get_module_proc(Host, ?MODULE),

gen_server:start_link({local, Proc}, ?MODULE, [Host, Opts], []).

user_available(New) ->

LUser = New#jid.luser, LServer = New#jid.lserver,

Proc = gen_mod:get_module_proc(LServer, ?MODULE),

gen_server:cast(Proc, {user_available, LUser, LServer}).

append_online_user(Uid, Proj, Host) ->

Proc = gen_mod:get_module_proc(Host, ?MODULE),

gen_server:call(Proc, {append_online_user, Uid, Proj}).

remove_online_user(Uid, Proj, Host) ->

Proc = gen_mod:get_module_proc(Host, ?MODULE),

gen_server:call(Proc, {remove_online_user, Uid, Proj}).

...

set_presence(User, Server, Resource, Packet) ->

Proc = gen_mod:get_module_proc(Server, ?MODULE),

gen_server:cast(Proc, {set_presence, User, Server, Resource, Packet}).

...

start(Host, Opts) ->

Proc = gen_mod:get_module_proc(Host, ?MODULE),

ChildSpec = {Proc, {?MODULE, start_link, [Host, Opts]},

transient, 2000, worker, [?MODULE]},

supervisor:start_child(?SUPERVISOR, ChildSpec).

stop(Host) ->

Proc = gen_mod:get_module_proc(Host, ?MODULE),

gen_server:call(Proc, stop),

supervisor:delete_child(?SUPERVISOR, Proc).

init([Host, Opts]) ->

MyHost = gen_mod:get_opt_host(Host, Opts, <<"wtmuc.@HOST@">>),

RedisHost = gen_mod:get_opt(redis_host, Opts, fun(B) -> B end,?REDIS_HOST),

RedisPort = gen_mod:get_opt(redis_port, Opts, fun(I) when is_integer(I), I>0 -> I end, ?REDIS_PORT),

ejabberd_hooks:add(set_presence_hook, Host, ?MODULE, set_presence, 100),

ejabberd_hooks:add(user_available_hook, Host, ?MODULE, user_available, 50),

ejabberd_hooks:add(sm_remove_connection_hook, Host, ?MODULE, unset_presence, 50),

MongoHost = gen_mod:get_opt(mongo_host, Opts, fun(B) -> binary_to_list(B) end, ?MONGO_HOST),

MongoPort = gen_mod:get_opt(mongo_port, Opts, fun(I) when is_integer(I), I>0 -> I end, ?MONGO_PORT),

{ok, Mongo} = mongo_connection:start_link({MongoHost, MongoPort}),

C = c(RedisHost, RedisPort),

ejabberd_router:register_route(MyHost), {ok, #state{host = Host, server_host = MyHost, rconn = C, mconn = Mongo}}.

terminate(_Reason, #state{host = Host, rconn = C, mconn = Mongo}) ->

ejabberd_hooks:delete(set_presence_hook, Host, ?MODULE, set_presence, 100),

ejabberd_hooks:delete(user_available_hook, Host, ?MODULE, user_available, 50),

ejabberd_hooks:delete(unset_presence_hook, Host, ?MODULE, unset_presence, 50),

eredis:stop(C),

ok.

...

handle_call({append_online_user, Uid, ProjId}, _From, State) ->

C = State#state.rconn,

Key = <<!--?PRE_RPOJ_ONLINE_USERS /binary, ProjId/binary-->>,

Resp = eredis:q(C, ["SADD", Key, Uid]),

{reply, Resp, State};

handle_call({remove_online_user, Uid, ProjId}, _From, State) ->

...

handle_call({get_proj_online_users, ProjId}, _From, State) ->

...

handle_cast({set_presence, User, Server, Resource, Packet}, #state{mconn = Mongo} = State) ->

C = State#state.rconn,

Key = <<!--?USER_PRESENCE /binary, User/binary-->>,

Pids = get_user_projs(User, Mongo),

Cmd = get_proj_key(Pids, ["SUNION"]),

case xml:get_subtag_cdata(Packet, <<"show">>) of

<<"away">> ->

eredis:q(C, ["SET", Key, ?LEAVE]);

<<"offline">> ->

...

handle_cast(_Msg, State) -> {noreply, State}.

handle_info({route, From, To, Packet}, #state{host = Host, server_host = MyHost, rconn = RedisConn, mconn = Mongo} = State) ->

case catch do_route(Host, MyHost, From, To, Packet, RedisConn, Mongo) of

{'EXIT', Reason} ->

?ERROR_MSG("~p", [Reason]);

_ ->

ok

end,

{noreply, State};

handle_info(_Info, State) -> {noreply, State}.

code_change(_OldVsn, State, _Extra) -> {ok, State}.

...

其中，User_Available_HOOK和SM_Remove_Connection_HOOK 就是用户上线和用户断开连接触发的事件，Ejabberd 中正是由于这些HOOK，才能很容易扩展功能。

在用Tsung对Ejabberd进行压力测试，测试机器为4核心8G内存的普通PC，以3台客户机模拟用户登录、设置在线状态、发送一条文本消息、关闭连接操作，在同时在线达到30w时，CPU占用不到3%，内存大概到3个G左右，随着用户数增多，主要内存的损耗较大。由于压力测试比较耗时，再等到有时间的时候，会在做一些更深入的测试。