顶层设计-IM系统架构

一、系统总体架构概览

        即时通讯（IM）系统的核心目标，是让用户可以随时随地稳定地发送和接收消息。为了支撑成千上万用户同时在线交流，我们需要将整个系统划分成多个专职模块，每个模块只负责一件事情，彼此协同配合。

        最基础的一层是 WebSocket 服务。WebSocket 是一种保持长连接的通信方式，可以让客户端和服务器随时互发消息。但一个 WebSocket 服务器的连接数是有限的，一般能同时维护几千个连接，因此我们通常会部署多个 WebSocket 服务实例，组成一个“集群”，来支撑海量在线用户。

在 WebSocket 服务之上，还有一系列专门的服务模块：

• IM 服务：负责消息的收发与转发，也就是把你发的消息送到对方那里。

• Logic 服务：处理登录后的操作，比如你上线、加好友、建群，这些都归它管。

• Auth 服务：负责登录验证，确保你是你。

• Router 服务：像导航员一样，决定消息该送去哪台服务器上的哪个用户。

        除了模块分工，IM 系统还有一个重要设计：消息一定要先保存再发出去。这保证了即使网络出问题，消息也不会丢。保存之后，系统会通过消息队列把消息交给后续处理模块继续处理，比如发送到你好友的“信箱”里。

        总的来说，整个系统像流水线一样，每一步都专注做好一件事，最终让消息安全、快速地送达每一位用户手中。

二、核心服务模块介绍

        整个 IM 系统就像一个团队，每个成员负责不同的工作。下面我们来看看这些“成员”都做些什么。

1. WebSocket 服务

        这是系统的“入口”。每个在线用户，都会通过 WebSocket 和服务器保持一个长连接。这个连接就像一条专属通道，方便用户随时发消息、收消息。

        但一个 WebSocket 服务器能撑的连接数量有限，一般几千个就到头了。所以我们会部署很多台，组成一个“集群”，大家一起分担压力。

2. IM 服务

        这是系统中最重要的“中转站”。

        你发出一条消息后，IM 服务会先把它保存到数据库，然后丢进一个消息队列，再交给后面专门的模块去处理。为什么要这样？为了确保消息不会丢失，即使网络闪了一下，消息也还在。

        它还负责把消息转发给接收方，比如你发了一句话给朋友，IM 服务就会负责把这句话送过去。

3. Logic 服务

        Logic（逻辑）服务管的是用户行为。

比如：

• 登录后多久没动了，要不要认为你掉线了？

• 你加了一个好友，要不要让对方知道？

• 创建一个群聊，拉了谁进来？

        这些操作都属于“逻辑事件”，由这个服务来处理。

4. Auth 服务

        Auth 是认证服务，意思是“你是谁”的确认。

        比如你输入账号密码登录，系统会调用 Auth 服务确认这个账号是否合法。如果你用的是第三方登录（比如微信、GitHub），Auth 也负责对接这些服务，确保只有通过验证的人才能进来。

5. Router 服务

Router（路由）服务的职责是找人。

        比如你要给好友发消息，系统得先知道：他现在在哪台服务器上？连的是哪一个 WebSocket 实例？Router 服务会告诉你消息应该往哪发。

        当然可以，这里是 “三、消息处理机制” 的内容，继续保持通俗、清晰、简洁的风格，面向小白讲解：

三、消息处理机制

        当你在聊天窗口里按下“发送”按钮，背后其实触发了一连串操作。下面我们来看看，一条消息从你手里出去，到达对方的手里，中间到底经历了什么。

1. 消息先入库，再发送

        你发的每一条消息，系统都会先保存起来，也就是“入库”。

        为什么要先保存？这是为了防止消息丢失。比如你发完消息后，网络突然断了，如果没保存就直接发，很可能这条消息就彻底丢了。保存之后，就算后续出问题，也可以补发。

所以，IM 服务会：

• 把消息写入数据库（比如 MongoDB、MySQL 等）

• 然后告诉你：“发送成功！”

2. 消息写入队列

        消息保存后，不会直接发给对方，而是先丢到一个“消息队列”中。

        这个队列就像一个“中转仓库”，专门用来缓冲和调度消息。这样可以让处理流程更灵活，比如根据用户在线状态、网络条件、处理能力，安排合适的时间发消息。

3. 写扩散与用户信箱

        消息进入队列后，有多个“消息处理器”来处理这些消息。

其中一个关键思路叫做 “写扩散”，意思是：

• 系统会主动把这条消息写到**目标用户的“信箱”**里，

• 每个用户都有自己的消息列表（就像邮箱收件箱），

• 登录时或收到推送时，系统会从信箱中取出消息送给你。

        这样做的好处是：接收方什么时候来都能拿到消息，不怕错过。

4. 热点信箱的设计

        对于一些经常聊天的热门用户（比如大 V 或群主），他们的消息非常多。

        如果每个用户都维护完整的信箱，系统会变得很慢。因此我们会设计一个 “热点信箱”，专门处理这类高频用户，减少重复写入，提升效率。

        比如一个群有几千人，系统不需要把同一条群消息复制几千遍，而是用热点信箱+聚合机制，智能分发。

四、聚合层设计

        前面说过，每个用户都有一个自己的“信箱”，专门用来存放别人发给 TA 的消息。对于一些活跃用户，除了普通信箱外，还会有一个**“热点信箱”**，存放高频或群聊消息。

        聚合层的作用，就是把这些分散的消息来源统一起来，给用户呈现一份最终的收件列表。

1. 为什么需要聚合层？

想象一下：

• 一部分消息在用户自己的信箱里；

• 一部分消息在群聊的热点信箱里；

• 还有一些可能来自系统通知、客服等。

如果客户端要自己去找这些消息，就像你自己跑到各个邮箱、微信群、通知中心去翻，麻烦又低效。

所以，我们引入聚合层：

• 它会自动去不同地方收集消息；

• 然后按时间顺序整理好；

• 最后一口气推送给用户。

2. 聚合层怎么工作？

流程其实不复杂：

1. 用户上线后，客户端向聚合层请求“新消息”；

2. 聚合层会去：

   • 用户个人信箱取消息；

   • 热点信箱查是否有该用户感兴趣的群消息；

3. 将多个来源的消息合并在一起；

4. 排好顺序，按页返回给用户。

这样一来，用户只需要调一次接口，就能拿到所有需要的消息，既快又省资源。

3. 推模式 vs 拉模式

聚合层支持两种方式：

• 拉模式：客户端主动问“有没有新消息？”

• 推模式：系统检测到有新消息，直接通知客户端来取。

实际使用时，两者会配合起来使用，确保消息不漏、不慢、不中断。

五、可靠推送与 ACK 策略

        在 IM 系统中，“消息已送达”不代表“对方已经收到”。为了确保消息真正到达用户手里，并且对方确实收到了，系统需要一套可靠推送机制，其中一个关键环节就是 ACK（应答确认）。

1. 什么是 ACK？

        ACK 是英文 Acknowledgement 的缩写，意思是“确认”。

        举个例子：你给朋友发了一条消息，系统通过 WebSocket 把消息推到了朋友的手机上，这时候朋友的设备会给服务器回一个“我收到了”的信号，这个信号就是 ACK。

只有服务器收到这个 ACK，才说明消息真正送达了客户端。

2. 为什么需要 ACK？

        如果没有 ACK，系统根本不知道消息有没有送到。可能你朋友网络不通、手机掉线，甚至消息被系统中的某个节点“弄丢了”，这些都需要系统感知并做补救。

所以，ACK 有两个核心作用：

• 确认送达：保证用户真的收到了消息。

• 触发下一步逻辑：比如更新“消息状态”，从“已发送”变成“已送达”。

3. 如果没有收到 ACK 怎么办？

        系统会设置一个超时时间，比如 5 秒。如果超过这个时间还没收到 ACK，就认为“推送失败”。

这时候系统可能会：

• 重试推送：再次把消息发一遍。

• 切换推送通道：如果 WebSocket 不通，可以尝试发离线推送（比如通知栏提示）。

• 记录失败状态：方便后续排查或提醒用户“消息可能没送达”。

4. ACK 的流程总结一下：

1. 服务器把消息推送到客户端

2. 客户端收到消息，立刻回 ACK

3. 服务器收到 ACK，标记消息为“送达成功”

4. 如果长时间没收到 ACK，就重试或记录失败