IM协议设计选型
2016-01-06 09:41
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Hi，各位小伙伴们，又见面啦，有木有很想念呀。不知道上次分享的关于IM底层协议的知识对大家有木有帮助，今天俺要就 IM 的协议的设计选型做一个简单的分享。废话不多说，现在开始讲解吧。
一、im协议的分层设计
所谓“协议”是双方共同遵守的规则，例如：离婚协议，停战协议。协议有语法、语义、时序三要素。
（1）语法：即数据与控制信息的结构或格式
（2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
（3）时序：即事件实现顺序的详细说明
今天的重点是在“协议选型”上，重点讲选哪种协议。
im协议设计主要分为三层：应用层、安全层、传输层。
后文将详细介绍这三层的协议应该如何选型与设计。
二、im应用层协议设计
应用层协议选型，常见的有三种：文本协议、二进制协议、流式XML协议。
（1）文本协议
文本协议是指 “贴近人类书面语言表达”的通讯传输协议，典型的协议是http协议，一个http协议大致长成这样：
GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl
Host: musicml.net
Accept: */*
文本协议的特点是：
a.可读性好，便于调试
b.扩展性也好（通过key:value扩展）
c.解析效率一般（一行一行读入，按照冒号分割，解析key和value）
d.对二进制的支持不好 ，比如语音／视频
im中，msn使用的是文本协议
（2）二进制协议
二进制协议是指binary协议，典型是ip协议，以下是ip协议的一个图示：
二进制协议一般定长包头和可扩展变长包体 ，每个字段固定了含义 ，例如IP协议的前4个bit表示协议版本号 （Version）。
二进制协议有这样一些特点：
a.可读性差，难于调试
b.扩展性不好 ，如果要扩展字段，旧版协议就不兼容了，所以一般设计时会有一个Version字段
c.解析效率超高（几乎没有解析代价）
对二进制的支持不好 ，比如语音／视频
im中，QQ使用的时二进制协议。
（3）流式XML协议
im的准标准协议xmpp就是使用流式XML，像gtalk，校内通这些im都是基于xmpp的，让我们来看一个xmpp协议的例子：
<message
to=’romeo@example.net’
from=’juliet@example.com’
type=’chat’
xml : lang=’en’>
<body>Wherefore art thou, Romeo?</body>
</message>
从xml标签中大致可以判断这是一个romeo发给juliet的聊天消息。
xmpp协议可以实现跨域的互通。例如gtalk和校内通用户聊天。只要服务端实现了s2s服务（server to server） ，不过现在的im基本没有互通需求 ，所以这个服务基本没有人实现。
Xmpp协议有几个特点：
a.它是准标准协议，可以跨域互通
b.解析代价超高（dom解析）
c.有效数据传输率超低（大量的标签）
个人旗帜鲜明的强烈不建议使用xmpp，特别是无线端im，如果要用，一定要自己做压缩 ，减少网络流量（用过xmpp的同学都清楚，发一个登录包需要多少交互，要浪费多少流量）。
实际的栗子
下面来看一个im协议的实际例子 ，一般常见的做法是：定长二进制包头，可扩展变长包体。
包体可以使用用文本、XML等扩展性好的协议。
包头负责传输和解析效率，与业务无关。包体保证扩展性，与业务相关。
这是一个实际的16字节im二进制定长包头：
//sizeof(cs_header)=16
struct cs_header
{
uint32_t version;
uint32_t magic_num;
uint32_t cmd;
uint32_t len;
uint8_t data[];
}__attribute__((packed));
前4个字节是version；
接下来的4个字节是个“魔法数字（magic_num）“，用来保证数据错位或丢包问题，常见的做法是，包头放几个约定好的特殊字符，包尾放几个约定好的特殊字符 约定好，发给你的协议，某几个字节位置，是0x 01020304 ，才是正常报文；
接下来是command（命令号），用来区分是keepalive报文、业务报文、密钥交换报文等；
len（包体长度），告知服务端要接收多长的包体。
这是一个实际的可扩展im变长包体：
message CUserLoginReq
{
optional string username = 1;
optional string passwd = 2;
}
message CUserLoginResp
{
optional uint64 uid =1;
}
4000
使用的是google的Protobuf协议（玩过的人都懂），可以看到，登录请求包传入的是用户名与密码，登录响应包返回的是用户的uid。
当然，除了Protobuf，可选择的可扩展包体协议还有xml、json、mcpack（大家懂？）等。
个人旗帜鲜明的推荐Protobuf，主要有几个原因：
a.现成的解析库种类多，可以生成C++、Java、php等代码
b.自带压缩功能
c.在工业界已广泛应用
d.google制造
三、im安全层协议设计
im协议，消息的保密性非常重要 ，谁都不希望自己聊天内容被看到，所以安全层是必不可少的。
1、SSL
证书管理微微复杂，代价有点高。
2、自行加解密
自己来搞加解密，核心在于密钥的生成与管理，密钥管理方式有多种，主要有这么三种：
（1）固定密钥
服务端和客户端约定好一个密钥，同时约定好一个加密算法（eg：AES ），每次客户端im在发送前，就用约定好的算法，以及约定好的密钥加密再传输，服务端收到报文后，用约定好的算法，约定好的密钥再解密。这种方式，密钥和算法对程序员都是透明的。
（2）一人一密钥
简单说来就是每个人的密钥是固定的，但是每个人之间又不同，其实就是在固定密钥的算法中包含用户的某一特殊属性，比如用户uid、手机号、qq号等。
（3）动态密钥（一session一密钥）
动态密钥，一Session一密钥的安全性更高，每次会话前协商密钥。
密钥协商的过程要经过2次非对称密钥的随机生成，1次对称加密密钥的随机生成，具体详情这里不展开，有兴趣的同学可以看下SSL密钥协商额过程。
四、im传输层协议设计
可选的协议有TCP和UDP
现在的im传输层基本都是使用TCP，有了epoll等技术后，多连接就不是瓶颈了，单机几十万链接没什么问题。）
关于QQ使用UDP的问题
个人不清楚QQ使用UPD的初衷，但猜测是因为10多年前C10K问题没有得到很好解决，一台服务器支撑不了1W个TCP连接 ，腾讯的同时在线量高，没办法，只有用UDP了 ，但UDP又不可靠，故只能在UDP上实现TCP的超时／重传／确认等机制
好了，这次只介绍了im协议选型，欢迎大家留言吐槽哦~！
一、im协议的分层设计
所谓“协议”是双方共同遵守的规则，例如：离婚协议，停战协议。协议有语法、语义、时序三要素。
（1）语法：即数据与控制信息的结构或格式
（2）语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
（3）时序：即事件实现顺序的详细说明
今天的重点是在“协议选型”上，重点讲选哪种协议。
im协议设计主要分为三层：应用层、安全层、传输层。
后文将详细介绍这三层的协议应该如何选型与设计。
二、im应用层协议设计
应用层协议选型，常见的有三种：文本协议、二进制协议、流式XML协议。
（1）文本协议
文本协议是指 “贴近人类书面语言表达”的通讯传输协议，典型的协议是http协议，一个http协议大致长成这样：
GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl
Host: musicml.net
Accept: */*
文本协议的特点是：
a.可读性好，便于调试
b.扩展性也好（通过key:value扩展）
c.解析效率一般（一行一行读入，按照冒号分割，解析key和value）
d.对二进制的支持不好 ，比如语音／视频
im中，msn使用的是文本协议
（2）二进制协议
二进制协议是指binary协议，典型是ip协议，以下是ip协议的一个图示：
二进制协议一般定长包头和可扩展变长包体 ，每个字段固定了含义 ，例如IP协议的前4个bit表示协议版本号 （Version）。
二进制协议有这样一些特点：
a.可读性差，难于调试
b.扩展性不好 ，如果要扩展字段，旧版协议就不兼容了，所以一般设计时会有一个Version字段
c.解析效率超高（几乎没有解析代价）
对二进制的支持不好 ，比如语音／视频
im中，QQ使用的时二进制协议。
（3）流式XML协议
im的准标准协议xmpp就是使用流式XML，像gtalk，校内通这些im都是基于xmpp的，让我们来看一个xmpp协议的例子：
<message
to=’romeo@example.net’
from=’juliet@example.com’
type=’chat’
xml : lang=’en’>
<body>Wherefore art thou, Romeo?</body>
</message>
从xml标签中大致可以判断这是一个romeo发给juliet的聊天消息。
xmpp协议可以实现跨域的互通。例如gtalk和校内通用户聊天。只要服务端实现了s2s服务（server to server） ，不过现在的im基本没有互通需求 ，所以这个服务基本没有人实现。
Xmpp协议有几个特点：
a.它是准标准协议，可以跨域互通
b.解析代价超高（dom解析）
c.有效数据传输率超低（大量的标签）
个人旗帜鲜明的强烈不建议使用xmpp，特别是无线端im，如果要用，一定要自己做压缩 ，减少网络流量（用过xmpp的同学都清楚，发一个登录包需要多少交互，要浪费多少流量）。
实际的栗子
下面来看一个im协议的实际例子 ，一般常见的做法是：定长二进制包头，可扩展变长包体。
包体可以使用用文本、XML等扩展性好的协议。
包头负责传输和解析效率，与业务无关。包体保证扩展性，与业务相关。
这是一个实际的16字节im二进制定长包头：
//sizeof(cs_header)=16
struct cs_header
{
uint32_t version;
uint32_t magic_num;
uint32_t cmd;
uint32_t len;
uint8_t data[];
}__attribute__((packed));
前4个字节是version；
接下来的4个字节是个“魔法数字（magic_num）“，用来保证数据错位或丢包问题，常见的做法是，包头放几个约定好的特殊字符，包尾放几个约定好的特殊字符 约定好，发给你的协议，某几个字节位置，是0x 01020304 ，才是正常报文；
接下来是command（命令号），用来区分是keepalive报文、业务报文、密钥交换报文等；
len（包体长度），告知服务端要接收多长的包体。
这是一个实际的可扩展im变长包体：
message CUserLoginReq
{
optional string username = 1;
optional string passwd = 2;
}
message CUserLoginResp
{
optional uint64 uid =1;
}
4000
使用的是google的Protobuf协议（玩过的人都懂），可以看到，登录请求包传入的是用户名与密码，登录响应包返回的是用户的uid。
当然，除了Protobuf，可选择的可扩展包体协议还有xml、json、mcpack（大家懂？）等。
个人旗帜鲜明的推荐Protobuf，主要有几个原因：
a.现成的解析库种类多，可以生成C++、Java、php等代码
b.自带压缩功能
c.在工业界已广泛应用
d.google制造
三、im安全层协议设计
im协议，消息的保密性非常重要 ，谁都不希望自己聊天内容被看到，所以安全层是必不可少的。
1、SSL
证书管理微微复杂，代价有点高。
2、自行加解密
自己来搞加解密，核心在于密钥的生成与管理，密钥管理方式有多种，主要有这么三种：
（1）固定密钥
服务端和客户端约定好一个密钥，同时约定好一个加密算法（eg：AES ），每次客户端im在发送前，就用约定好的算法，以及约定好的密钥加密再传输，服务端收到报文后，用约定好的算法，约定好的密钥再解密。这种方式，密钥和算法对程序员都是透明的。
（2）一人一密钥
简单说来就是每个人的密钥是固定的，但是每个人之间又不同，其实就是在固定密钥的算法中包含用户的某一特殊属性，比如用户uid、手机号、qq号等。
（3）动态密钥（一session一密钥）
动态密钥，一Session一密钥的安全性更高，每次会话前协商密钥。
密钥协商的过程要经过2次非对称密钥的随机生成，1次对称加密密钥的随机生成，具体详情这里不展开，有兴趣的同学可以看下SSL密钥协商额过程。
四、im传输层协议设计
可选的协议有TCP和UDP
现在的im传输层基本都是使用TCP，有了epoll等技术后，多连接就不是瓶颈了，单机几十万链接没什么问题。）
关于QQ使用UDP的问题
个人不清楚QQ使用UPD的初衷，但猜测是因为10多年前C10K问题没有得到很好解决，一台服务器支撑不了1W个TCP连接 ，腾讯的同时在线量高，没办法，只有用UDP了 ，但UDP又不可靠，故只能在UDP上实现TCP的超时／重传／确认等机制
好了，这次只介绍了im协议选型，欢迎大家留言吐槽哦~！
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