Worktile中的实时消息推送服务实现

by Terry

在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：

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。

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：

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，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ubuntu12.04, 4核8个G内存）：

1.依赖库安装

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：

\\>\\> 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-auth-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：

\\>\\> 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

\\>\\> 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

\\>\\> cd /path/to/your/rabbitmq/plugins
\\>\\> wget http://www.rabbitmq.com/community-plugins/v3.3.x/rabbitmq_auth_backend_http-3.3.x-e7ac6289.ez
\\>\\> cd ..
\\>\\> ./sbin/rabbitmq-plugins enable rabbitmq_auth_backend_http

编辑rabbitmq.config文件（默认存放于/etc/rabbitmq/下），添加：

    [
    ...
    {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nodejs实现的这三个接口的示例：

    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：

    ......
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, '/');
......

需要说明的是，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websocket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ejabberd cluster。
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:

    -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。

对于ejabberd的安装与集群的搭建，大家可以参照官方文档，这里不再赘述。如果在使用过程中有什么问题，可以加入Worktile官方群(110257147)，进行讨论。