本文由小米技術(shù)團隊分享，原題“小愛接入層單機百萬長連接演進(jìn)”，有修訂。

1、引言

小愛接入層是小愛云端負(fù)責(zé)設(shè)備接入的第一個服務(wù)，也是最重要的服務(wù)之一，本篇文章介紹了小米技術(shù)團隊2020至2021年在這個服務(wù)上所做的一些優(yōu)化和嘗試，最終將單機可承載長連接數(shù)從30w提升至120w+，節(jié)省了機器30+臺。

提示：什么是“小愛”？

小愛（全名“小愛同學(xué)”）是小米旗下的人工智能語音交互引擎，搭載在小米手機、小米AI音箱、小米電視等設(shè)備中，在個人移動、智能家庭、智能穿戴、智能辦公、兒童娛樂、智能出行、智慧酒店、智慧學(xué)習(xí)共八大類場景中使用。

（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-3860-1-1.html）

2、專題目錄

本文是專題系列文章的第7篇，總目錄如下：

1. 《長連接網(wǎng)關(guān)技術(shù)專題(一)：京東京麥的生產(chǎn)級TCP網(wǎng)關(guān)技術(shù)實踐總結(jié)》
2. 《長連接網(wǎng)關(guān)技術(shù)專題(二)：知乎千萬級并發(fā)的高性能長連接網(wǎng)關(guān)技術(shù)實踐》
3. 《長連接網(wǎng)關(guān)技術(shù)專題(三)：手淘億級移動端接入層網(wǎng)關(guān)的技術(shù)演進(jìn)之路》
4. 《長連接網(wǎng)關(guān)技術(shù)專題(四)：愛奇藝WebSocket實時推送網(wǎng)關(guān)技術(shù)實踐》
5. 《長連接網(wǎng)關(guān)技術(shù)專題(五)：喜馬拉雅自研億級API網(wǎng)關(guān)技術(shù)實踐》
6. 《長連接網(wǎng)關(guān)技術(shù)專題(六)：石墨文檔單機50萬WebSocket長連接架構(gòu)實踐》
7. 《長連接網(wǎng)關(guān)技術(shù)專題(七)：小米小愛單機120萬長連接接入層的架構(gòu)演進(jìn)》（* 本文）

3、什么是小愛接入層

整個小愛的架構(gòu)分層如下：

接入層主要的工作在鑒權(quán)授權(quán)層和傳輸層，它是所有小愛設(shè)備和小愛大腦交互的第一個服務(wù)。

由上圖我們知道小愛接入層的重要功能有如下幾個：

• 1）安全傳輸和鑒權(quán)：維護(hù)設(shè)備和大腦的安全通道，保障身份認(rèn)證有效和傳輸數(shù)據(jù)安全；
• 2）維護(hù)長連接：維持設(shè)備和大腦的長連接（Websocket等），做好連接狀態(tài)存儲，心跳維護(hù)等工作；
• 3）請求轉(zhuǎn)發(fā)：針對每一次小愛設(shè)備的請求做好轉(zhuǎn)發(fā)，保障每一次請求的穩(wěn)定。

4、早期接入層的技術(shù)實現(xiàn)

小愛接入層最早的實現(xiàn)是基于Akka和Play，我們使用它們搭建了第一個版本，該版本特點如下：

• 1）基于Akka我們基本做到了初步的異步化，保障核心線程不被阻塞，性能尚可。
• 2）Play框架天然支持Websocket，因此我們在有限的人力下能夠快速搭建和實現(xiàn)，且能夠保障協(xié)議實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)性。

5、早期接入層的技術(shù)問題

隨著小愛長連接的數(shù)量突破千萬大關(guān)，針對早期的接入層方案，我們發(fā)現(xiàn)了一些問題。

主要的問題如下：

1）長連接數(shù)量上來后，需要維護(hù)的內(nèi)存數(shù)據(jù)越來越多，JVM的GC成為不可忽略的性能瓶頸，且一旦代碼寫的不好有GC風(fēng)險。經(jīng)過之前事故分析，Akka+Play版的接入層其單實例長連接數(shù)量的上限在28w左右。

2）老版本的接入層實現(xiàn)比較隨意，其Akka Actor之間存在非常多的狀態(tài)依賴而不是基于不可變的消息傳遞這樣使得Actor之間的通信變成了函數(shù)調(diào)用，導(dǎo)致代碼可讀性差且維護(hù)很困難，沒有發(fā)揮出Akka Actor在構(gòu)建并發(fā)程序的優(yōu)勢。

3）作為接入層服務(wù)，老版本對協(xié)議的解析是有很強的依賴的，這導(dǎo)致它要隨著版本變動而頻繁上線，其上線會引起長連接重連，隨時有雪崩的風(fēng)險。

4）由于依賴Play框架，我們發(fā)現(xiàn)其長連接打點有不準(zhǔn)確的問題（因為拿不到底層TCP連接的數(shù)據(jù)），這個會影響我們每日巡檢對服務(wù)容量的評估，且依賴其他框架在長連接數(shù)量上來后我們沒有辦法做更細(xì)致的優(yōu)化。

6、新版接入層的設(shè)計目標(biāo)

基于早期接入層技術(shù)方案的種種問題，我們打算重構(gòu)接入層。

對于新版接入層我們制定的目標(biāo)是：

• 1）足夠穩(wěn)定：上線盡可能不斷連接且服務(wù)穩(wěn)定；
• 2）極致性能：目標(biāo)單機至少100w長連接，最好不要受GC影響；
• 3）最大限度可控：除了底層網(wǎng)絡(luò)I/O的系統(tǒng)調(diào)用，其他所有代碼都要是自己實現(xiàn)/或者內(nèi)部實現(xiàn)的組件，這樣我們有足夠的自主權(quán)。

于是，我們開始了單機百萬長連接的漫漫實踐之路。。。

7、新版接入層的優(yōu)化思路

7.1 接入層的依賴關(guān)系

接入層與外部服務(wù)的關(guān)系理清如下：

7.2 接入層的功能劃分

接入層的主要功能劃分如下：

• 1）WebSocket解析：收到的客戶端字節(jié)流，要按照WebSocket協(xié)議要求解析出數(shù)據(jù)；
• 2）Socket狀態(tài)保持：存儲連接的基本狀態(tài)信息；
• 3）加密解密：與客戶端通訊的所有數(shù)據(jù)都是加密過的，而與后端模塊之間傳輸是json明文的；
• 4）順序化：同一個物理連接上，先后兩個請求A、B到達(dá)服務(wù)器，后端服務(wù)中B可能先于A得到了應(yīng)答，但是我們收到B不能立刻發(fā)送給客戶端，必須等待A完成后，再按照A,B的順序發(fā)給客戶端；
• 5）后端消息分發(fā)：接入層后面不止對接單個服務(wù)，可能根據(jù)不同的消息轉(zhuǎn)發(fā)給不同的服務(wù)；
• 6）鑒權(quán)：安全相關(guān)驗證，身份驗證等。

7.3 接入層的拆分思路

把之前的單一模塊按照是否有狀態(tài)，拆分為兩個子模塊。

具體如下：

• 1）前端：有狀態(tài)，功能最小化，盡量少上線；
• 2）后端：無狀態(tài)，功能最大化，上線可做到用戶無感知。

所以，按照上面的原則，理論上我們會做出這樣的功能劃分，即前端很小、后端很大。示意圖如下圖所示。

8、新版接入層的技術(shù)實現(xiàn)

8.1 總覽

模塊拆分為前后端：

• 1）前端有狀態(tài)，后端無狀態(tài)；
• 2）前后端是獨立進(jìn)程，同機部署。

補充：前端負(fù)責(zé)建立與維護(hù)設(shè)備長連接的狀態(tài)，為有狀態(tài)服務(wù)；后端負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)請求，為無狀態(tài)服務(wù)。后端服務(wù)上線不會導(dǎo)致設(shè)備連接斷開重連及鑒權(quán)調(diào)用，避免了長連接狀態(tài)因版本升級或邏輯調(diào)整而引起的不必要抖動；

前端使用CPP實現(xiàn)：

• 1）Websocket協(xié)議完全自己解析：可以從Socket層面獲取所有信息，任何Bug都可以處理；
• 2）更高的CPU利用率：沒有任何額外JVM代價，無GC拖累性能；
• 3）更高的內(nèi)存利用率：連接數(shù)量變大后與連接相關(guān)的內(nèi)存開銷變大，自己管理可以極端優(yōu)化。

后端暫時使用Scala實現(xiàn)：

• 1）已實現(xiàn)的功能直接遷移，比重寫代價要低得多；
• 2）依賴的部分外部服務(wù)（比如鑒權(quán)）有可直接利用的Scala（Java）SDK庫，而沒有C++版本，若用C++重寫代價非常大；
• 3）全部功能無狀態(tài)化改造，可以做到隨時重啟而用戶無感知。

通訊使用ZeroMQ：

進(jìn)程間通訊最高效的方式是共享內(nèi)存，ZeroMQ基于共享內(nèi)存實現(xiàn)，速度沒問題。

8.2 前端實現(xiàn)

整體架構(gòu)：

如上圖所示，由四個子模塊組成：

• 1）傳輸層：Websocket協(xié)議解析，XMD協(xié)議解析；
• 2）分發(fā)層：屏蔽傳輸層的差異，不管傳輸層使用的什么接口，在分發(fā)層轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的事件投遞到狀態(tài)機；
• 3）狀態(tài)機層：為了實現(xiàn)純異步服務(wù)，使用自研的基于Actor模型的類Akka狀態(tài)機框架XMFSM，這里面實現(xiàn)了單線程的Actor抽象；
• 4）ZeroMQ通訊層：由于ZeroMQ接口是阻塞實現(xiàn)，這一層通過兩個線程分別負(fù)責(zé)發(fā)送和接收。

8.2.1）傳輸層：

WebSocket 部分使用 C++ 和 ASIO 實現(xiàn) websocket-lib。小愛長連接基于WebSocket協(xié)議，因此我們自己實現(xiàn)了一個WebSocket長連接庫。

這個長連接庫的特點是：

• a. 無鎖化設(shè)計，保障性能優(yōu)異；
• b. 基于BOOST ASIO 開發(fā)，保障底層網(wǎng)絡(luò)性能。

壓測顯示該庫的性能十分優(yōu)異的：

這一層同時也承擔(dān)了除原始WebSocket外，其他兩種通道的的收發(fā)任務(wù)。

目前傳輸層一共支持以下3種不同的客戶端接口：

• a. websocket(tcp)：簡稱ws；
• b. 基于ssl的加密websocket(tcp)：簡稱wss；
• c. xmd(udp)：簡稱xmd。

8.2.2）分發(fā)層：

把不同的傳輸層事件轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一事件投遞到狀態(tài)機，這一層起到適配器的作用，確保無論前面的傳輸層使用哪種類型，到達(dá)分發(fā)層變都變成一致的事件向狀態(tài)機投遞。

8.2.3）狀態(tài)機處理層：

主要的處理邏輯都位于這一層中，這里非常重要的一個部分是對于發(fā)送通道的封裝。

對于小愛應(yīng)用層協(xié)議，不同的通道處理邏輯是完全一致的，但是在處理和安全相關(guān)邏輯上每個通道又有細(xì)節(jié)差異。

比如：

• a. wss 收發(fā)不需要加解密，加解密由更前端的Nginx做了，而ws需要使用AES加密發(fā)送；
• b. wss 在鑒權(quán)成功后不需要向客戶端下發(fā)challenge文本，因為wss不需要做加解密；
• c. xmd 發(fā)送的內(nèi)容與其他兩個不同，是基于protobuf封裝的私有協(xié)議，且xmd需要處理發(fā)送失敗后的邏輯，而ws/wss不用考慮發(fā)送失敗的問題，由底層Tcp協(xié)議保證。

針對這種情況：我們使用C++的多態(tài)特性來處理，專門抽象了一個Channel接口，這個接口中提供的方法包含了一個請求處理的一些關(guān)鍵差異步驟，比如如何發(fā)送消息到客戶端，如何stop連接，如何處理發(fā)送失敗等等。對于3種(ws/wss/xmd)不同的發(fā)送通道，每個通道有自己的Channel實現(xiàn)。

客戶端連接對象一創(chuàng)建，對應(yīng)類型的具體Channel對象就立刻被實例化。這樣狀態(tài)機主邏輯中只實現(xiàn)業(yè)務(wù)層的公共邏輯即可，當(dāng)在有差異邏輯調(diào)用時，直接調(diào)用Channel接口完成，這樣一個簡單的多態(tài)特性幫助我們分割了差異，確保代碼整潔。

8.2.4）ZeroMQ 通訊層：

通過兩個線程將ZeroMQ的讀寫操作異步化，同時負(fù)責(zé)若干私有指令的封裝和解析。

8.3 后端實現(xiàn)

8.3.1）無狀態(tài)化改造：

后端做的最重要改造之一就是將所有與連接狀態(tài)相關(guān)的信息進(jìn)行剔除。

整個服務(wù)以 Request（一次連接上可以傳輸N個Request）為核心進(jìn)行各種轉(zhuǎn)發(fā)和處理，每次請求與上一次請求沒有任何關(guān)聯(lián)。一個連接上的多次請求在后端模塊被當(dāng)做獨立請求處理。

8.3.2）架構(gòu)：

Scala 服務(wù)采用 Akka-Actor 架構(gòu)實現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯。

服務(wù)從 ZeroMQ 收到消息后，直接投遞到 Dispatcher 中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析與請求處理，在 Dispatcher 中不同的請求會發(fā)送給對應(yīng)的 RequestActor進(jìn)行 Event 協(xié)議解析并分發(fā)給該 event 對應(yīng)的業(yè)務(wù) Actor 進(jìn)行處理。最后將處理后的請求數(shù)據(jù)通過XmqActor 發(fā)送給后端 AIMS&XMQ 服務(wù)。

一個請求在后端多個 Actor 中的處理流程：

8.3.3）Dispatcher 請求分發(fā)：

前端與后端之間通過 Protobuf 進(jìn)行交互，避免了Json 解析的性能消耗，同時使得協(xié)議更加規(guī)范化。

后端服務(wù)從 ZeroMQ 收到消息后，會在 DispatcherActor 中進(jìn)行PB協(xié)議解析并根據(jù)不同的分類（簡稱CMD）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分類包括如下幾種。

* BIND 命令：

鑒權(quán)功能，由于鑒權(quán)功能邏輯復(fù)雜，使用C++語言實現(xiàn)起來較為困難，目前依然放在 scala 業(yè)務(wù)層進(jìn)行鑒權(quán)。該部分對設(shè)備端請求的 HTTP Headers 進(jìn)行解析，提取其中的 token 進(jìn)行鑒權(quán)，并將結(jié)果返回前端。

* LOGIN 命令：

設(shè)備登入，設(shè)備鑒權(quán)通過后當(dāng)前連接已成功建立，此時會進(jìn)行 Login 命令的執(zhí)行，用于將該長連接信息發(fā)送至AIMS并記錄于Varys服務(wù)中，方便后續(xù)的主動下推等功能。在 Login 過程中，服務(wù)首先將請求 Account 服務(wù)獲取長連接的 uuid（用于連接過程中的路由尋址），然后將設(shè)備信息+uuid 發(fā)送至AIMS進(jìn)行設(shè)備登入操作。

* LOGOUT 命令：

設(shè)備登出，設(shè)備在與服務(wù)端斷開連接時需要進(jìn)行 Logout 操作，用于從 Varys 服務(wù)中刪除該長連接記錄。

* UPDATE 與 PING 命令：

a. Update 命令，設(shè)備狀態(tài)信息更新，用于更新該設(shè)備在數(shù)據(jù)庫中保存的相關(guān)信息；

b. Ping 命令，連接保活，用于確認(rèn)該設(shè)備處于在線連接狀態(tài)。

* TEXT_MESSAGE 與 BINARY_MESSAGE：

文本消息與二進(jìn)制消息，在收到文本消息或二進(jìn)制消息時將根據(jù) requestid 發(fā)送給該請求對應(yīng)的RequestActor進(jìn)行處理。

8.3.4）Request 請求解析：

針對收到的文本和二進(jìn)制消息，DispatcherActor 會根據(jù) requestId 將其發(fā)送給對應(yīng)的RequestActor進(jìn)行處理。

其中：文本消息將會被解析為Event請求，并根據(jù)其中的 namespace 和 name 將其分發(fā)給指定的業(yè)務(wù)Actor。二進(jìn)制消息則會根據(jù)當(dāng)前請求的業(yè)務(wù)場景被分發(fā)給對應(yīng)的業(yè)務(wù)Actor。

8.4 其他優(yōu)化

在完成新架構(gòu) 1.0 調(diào)整過程中，我們也在不斷壓測長連接容量，總結(jié)幾點對容量影響較大的點。

8.4.1）協(xié)議優(yōu)化：

a. JSON替換為Protobuf: 早期的前后端通信使用的是 json 文本協(xié)議，后來發(fā)現(xiàn) json 序列化、反序列化這部分對CPU的占用較大，改為了 protobuf 協(xié)議后，CPU占用率明顯下降。

b. JSON支持部分解析：業(yè)務(wù)層的協(xié)議是基于json的，沒有辦法直接替換，我們通過"部分解析json"的方式，只解析很小的 header 部分拿到 namespace 和 name，然后將大部分直接轉(zhuǎn)發(fā)的消息轉(zhuǎn)發(fā)出去，只將少量 json 消息進(jìn)行完整反序列化成對象。此種優(yōu)化后CPU占用下降10%。

8.4.2）延長心跳時間：

在第一次測試20w連接時，我們發(fā)現(xiàn)在前后端收發(fā)的消息中，一種用來保持用戶在線狀態(tài)的心跳PING消息占了總消息量的75%，收發(fā)這個消息耗費了大量CPU。因此我們延長心跳時間也起到了降低CPU消耗的目的。

8.4.3）自研內(nèi)網(wǎng)通訊庫：

為了提高與后端服務(wù)通信的性能，我們使用自研的TCP通訊庫，該庫是基于Boost ASIO開發(fā)的一個純異步的多線程TCP網(wǎng)絡(luò)庫，其卓越的性能幫助我們將連接數(shù)提升到120w+。

9、未來規(guī)劃

經(jīng)過新版架構(gòu)1.0版的優(yōu)化，驗證了我們的拆分方向是正確的，因為預(yù)設(shè)的目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到：

• 1）單機承載的連接數(shù) 28w => 120w+（普通服務(wù)端機器 16G內(nèi)存 40核 峰值請求QPS過萬），接入層下線節(jié)省了50%+的機器成本；
• 2）后端可以做到無損上線。

再重新審視下我們的理想目標(biāo)，以這個為方向，我們就有了2.0版的雛形：

具體就是：

• 1）后端模塊使用C++重寫，進(jìn)一步提高性能和穩(wěn)定性。同時將后端模塊中無法使用C++重寫的部分，作為獨立服務(wù)模塊運維，后端模塊通過網(wǎng)絡(luò)庫調(diào)用；
• 2）前端模塊中非必要功能嘗試遷移到后端，讓前端功能更少，更穩(wěn)定；
• 3）如果改造后，前端與后端處理能力差異較大，考慮到ZeroMQ實際是性能過剩的，可以考慮使用網(wǎng)絡(luò)庫替換掉ZeroMQ，這樣前后端可以從1:1單機部署變?yōu)?:N多機部署，更好的利用機器資源。

2.0版目標(biāo)是：經(jīng)過以上改造后，期望單前端模塊可以達(dá)到200w+的連接處理能力。

10、參考資料

[1] 上一個10年，著名的C10K并發(fā)連接問題

[2] 下一個10年，是時候考慮C10M并發(fā)問題了

[3] 一文讀懂高性能網(wǎng)絡(luò)編程中的線程模型

[4] 深入操作系統(tǒng)，一文讀懂進(jìn)程、線程、協(xié)程

[5] Protobuf通信協(xié)議詳解：代碼演示、詳細(xì)原理介紹等

[6] WebSocket從入門到精通，半小時就夠！

[7] 如何讓你的WebSocket斷網(wǎng)重連更快速？

[8] 從100到1000萬高并發(fā)的架構(gòu)演進(jìn)之路

學(xué)習(xí)交流：

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