前言
Web3.0時(shí)代的重要特點(diǎn)：
1、數(shù)據(jù)主權(quán)
用戶將擁有自己的數(shù)據(jù)主權(quán)，用戶所創(chuàng)造的數(shù)字內(nèi)容，所有權(quán)和控制權(quán)都?xì)w屬于用戶，用戶所創(chuàng)造的價(jià)值可以由用戶自主支配。對(duì)于IM業(yè)務(wù)，就是用戶的好友列表，聊天消息等數(shù)據(jù)屬于用戶，不屬于任何商業(yè)機(jī)構(gòu)。
2、去中心化
這個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)不被任何人和組織所控制，任何人和組織都可以參與這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)都可以加入和退出，為全網(wǎng)用戶提供服務(wù)。用戶不屬于任何組織，組織是服務(wù)提供者不是用戶的擁有者。
基于以上Web3.0兩個(gè)特點(diǎn)，可以推導(dǎo)出Web3.0對(duì)IM的技術(shù)需求：
1.、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)節(jié)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的，全球任何一個(gè)地方的節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)加入和退出網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的崩潰和退出都不影響網(wǎng)路正常運(yùn)作。
2.、數(shù)據(jù)安全：用戶數(shù)據(jù)必須是加密的，聊天消息要支持端到端加密安全，服務(wù)節(jié)點(diǎn)只做存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)，無法查看聊天消息和好友列表等數(shù)據(jù)內(nèi)容。
這些需求對(duì)技術(shù)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)具有非常大的挑戰(zhàn)。
第2點(diǎn)需求意味著需要支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)容和索容。大家都知道，傳統(tǒng)web2.0技術(shù)是基于中心化的，服務(wù)器規(guī)格統(tǒng)一，性能都比較好，服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)延遲極小一般在1毫秒以下，集群出口帶寬可達(dá)到千兆甚至萬兆。即使是在這么好的條件下，動(dòng)態(tài)平滑地?cái)U(kuò)容和縮容，服務(wù)平穩(wěn)運(yùn)行都不是一件容易的事情。在去中心化環(huán)境中，參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的性能，配置，可靠性，網(wǎng)絡(luò)帶寬等參差不齊，機(jī)器隨時(shí)都可能關(guān)機(jī)，網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)都可能斷開，甚至還可能存在一些惡意節(jié)點(diǎn)，發(fā)送惡意數(shù)據(jù)影響網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。這些因素都是在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)去中心化IM所要面對(duì)和考慮的，當(dāng)然從另一個(gè)角度來看，如果這些問題都能得到解決，解決方案也可能反過來應(yīng)用到中心化服務(wù)架構(gòu)中，增強(qiáng)中心化服務(wù)的穩(wěn)定性和魯棒性。
在傳統(tǒng)web2.0技術(shù)架構(gòu)中，異地多活是一座高峰，是高可用服務(wù)架構(gòu)的極致追求。從某種程度上來說，異地多活已經(jīng)接近去中心化架構(gòu)，所以我們先來重溫一下異地多活架構(gòu)，看看有哪些方面可以借鑒的。
圖片引用自 《搞懂異地多活，看這篇就夠了》
異地多活的思路和關(guān)鍵點(diǎn)：
• 提供一個(gè)路由層，對(duì)用戶按地域或哈希把用戶分配到某個(gè)機(jī)房
• 同一個(gè)用戶的相關(guān)請(qǐng)求，只在一個(gè)機(jī)房?jī)?nèi)完成所有業(yè)務(wù)「閉環(huán)」，不再出現(xiàn)「跨機(jī)房」訪問
• 機(jī)房之間互為熱備份，每個(gè)機(jī)房都保存所有用戶全量數(shù)據(jù)
• 當(dāng)某個(gè)機(jī)房發(fā)生災(zāi)難時(shí)，備份機(jī)房的從庫(kù)升級(jí)成主庫(kù)，并在路由層切換用戶到備份機(jī)房
異地多活的思路對(duì)于去中心化架構(gòu)是非常具有借鑒意義的，可以把機(jī)房看成是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)無數(shù)個(gè)機(jī)房(節(jié)點(diǎn))組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，異地多活架構(gòu)就泛化成了去中心化架構(gòu)。
當(dāng)然量變引發(fā)質(zhì)變，當(dāng)節(jié)點(diǎn)足夠多時(shí)，傳統(tǒng)的異地多活技術(shù)已經(jīng)不能直接適用于去中心化架構(gòu)，必須經(jīng)過改進(jìn)和改造才能為去中心化架構(gòu)所采用。去中心化架構(gòu)是另一座更高的山峰。
路由網(wǎng)絡(luò)
路由網(wǎng)絡(luò)的作用類似于異地多活中的路由層，提供了資源和服務(wù)發(fā)現(xiàn)(discovery)的服務(wù)。比如對(duì)于用戶張三，我們需要知道當(dāng)前服務(wù)張三的節(jié)點(diǎn)到底在哪里。一個(gè)直觀的方案，是一個(gè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地問(查找)，效率低下。在去中心化架構(gòu)中，常用的路由發(fā)現(xiàn)技術(shù)是Gossip協(xié)議和Kademlia網(wǎng)絡(luò)。
Gossip協(xié)議
Gossip協(xié)議的靈感來自于“好事不出門壞事傳千里”，“辦公室里的流言蜚語(yǔ)很快就傳遍全公司”。比如張三連接的節(jié)點(diǎn)1隨機(jī)向臨近節(jié)點(diǎn)廣播“張三在節(jié)點(diǎn)1上”， 臨近節(jié)點(diǎn)再隨機(jī)向它的臨近節(jié)點(diǎn)廣播，即一傳十，十傳百，消息很快傳遍全網(wǎng)，所有節(jié)點(diǎn)都知道“張三在節(jié)點(diǎn)1上”。反過來，如果節(jié)點(diǎn)2不知道張三在哪里，它可以向全網(wǎng)詢問“張三在哪里”，在傳播的過程中，如果有節(jié)點(diǎn)指知道張三的地址，立即向節(jié)點(diǎn)2返回張三地址，結(jié)束查詢過程。Gossip不是一個(gè)新的東西，大家熟知的redis集群采用了Gossip協(xié)議。
Gossip的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性幾乎沒有任何要求，具有極強(qiáng)的魯棒性。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的消息太多，而且有重復(fù)消息，增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力和節(jié)點(diǎn)的額外處理負(fù)載。
Kademlia網(wǎng)絡(luò)
Kademlia是一種分布式哈希表(DHT)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于去中心化產(chǎn)品中，比如大家熟知的以太坊，磁力下載等。Kademlia 把成千上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)自我組織的網(wǎng)絡(luò)，用戶可以使用這個(gè)網(wǎng)絡(luò)快速查找定位到資源。關(guān)于Kademlia技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上能找到很多相關(guān)文章，但大多數(shù)都拘泥于細(xì)節(jié)中，這里簡(jiǎn)單介紹Kademlia的原理，能解決什么問題，至于詳細(xì)原理請(qǐng)自行搜索其他文章。
1. Kademlia網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)索引網(wǎng)絡(luò)，解決的是如何快速定位資源位置的問題
2. 每個(gè)資源都有唯一的哈希值
3. 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的哈希值
4. Node-900擁有一個(gè)資源，資源的哈希值是100
5. Node-900 把資源發(fā)布到與資源哈希值最近的Node-100(距離等于0)
6. Node-100的記錄了一條目錄，“哈希100的資源保存在Node-900上”
7. Node-800 想要訪問資源-100，通過哈希值找到Node-100，再根據(jù)目錄訪問Node-900找到資源
8. 目錄數(shù)據(jù)的高可用與冗余
a. 資源擁有者Node-900發(fā)布到距離資源最近的k個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如 Node-99(距離為1)，Node-100(距離為0)，Node-102(距離為2)
b. 同樣地，訪問者訪問距離資源最近的k個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取目錄
c. 因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不斷地上線下線，距離資源最近的k個(gè)節(jié)點(diǎn)集合會(huì)不斷變化，所以資源擁有者Node-900 要周期性地發(fā)布資源，比如Node-100下線后，k個(gè)節(jié)點(diǎn)集合變成 Node-99(距離為1)，Node-102(距離為2)，Node-103(距離為3)
9. Kademlia的距離是邏輯距離，不是物理距離，兩個(gè)邏輯距離很近的節(jié)點(diǎn)，物理上可能相隔很遠(yuǎn)。
消息順序
IM 的核心功能是消息收發(fā)。在中心化架構(gòu)中，所有上行消息通常都會(huì)歸攏到一個(gè)地方，所以消息先后順序由中心化來保證。但在去中心化架構(gòu)中，上行消息可能是從不同的節(jié)點(diǎn)過來的，接收消息順序可能會(huì)亂序。具體例子：
C先收到B的消息，后收到A的消息，導(dǎo)致最終C的聊天記錄和A/B的不一樣。
解決方案：
• 時(shí)間戳
每條消息都打上一個(gè)時(shí)間戳，在接收端根據(jù)時(shí)間戳排序。但是去中心化網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘不可能完全同步，仍然存在先后順序錯(cuò)亂的可能性。
• 依賴消息
每條消息都帶有依賴消息Id，表示當(dāng)前消息排在依賴消息之后。客戶端在收到一條消息后，先檢查其依賴消息是否都已經(jīng)收到并且上屏，如果沒有收到則先暫存消息，直到所有依賴消息上屏。此方案的缺點(diǎn)是增加客戶端處理消息的復(fù)雜度。
端到端加密
因?yàn)槿魏稳硕伎梢约尤肴ブ行幕疘M網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)都可能接觸到消息，所以為了隱私和安全，消息必須是端到端加密的。常用的端到端加密方案是Diffie–Hellman 密鑰交換協(xié)議(DH)，可以使通訊雙方無需預(yù)先溝通，在不安全的網(wǎng)絡(luò)中即可確定一個(gè)“協(xié)商密鑰”，這個(gè)密鑰可以在后續(xù)的通訊中作為對(duì)稱密鑰來加密消息內(nèi)容，這樣避免了雙方網(wǎng)上協(xié)商密鑰帶來的泄露風(fēng)險(xiǎn)。
從圖中可以看出在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖枪€，真正用來加密的“對(duì)稱密鑰S”是計(jì)算出來的，并沒有通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，非常安全。但是如果所有消息都用同一個(gè)對(duì)稱密鑰S，一旦S被破解得到則所有消息都會(huì)被破解。最好的辦法是每條消息都用不同的密鑰，即一消息一密鑰。
• 通過密鑰函數(shù)計(jì)算得出消息密鑰
• 密鑰函數(shù)通常為不可逆函數(shù)，即知道輸出很難反向計(jì)算出輸入，比如大家熟知的哈希函數(shù)就是不可逆函數(shù)
• 密鑰函數(shù)的輸出被分為鏈密鑰和消息密鑰兩部分，鏈密鑰作為下一次密鑰函數(shù)的輸入，消息密鑰用來加密消息
• 重復(fù)這個(gè)過程，即鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成的密鑰雖然很安全，但帶來一個(gè)新的問題，即如何讀取歷史消息。讀取歷史消息通常是從某條消息開始拉去n條消息。從上圖可以看出，要想得到“消息密鑰2”，必須從初始密鑰開始計(jì)算2次才能得出，如果要得到“消息密鑰10000”，則要計(jì)算10000次才能得出，顯然這樣做的效率非常低下。
推送
推送是IM業(yè)務(wù)里比較重要的功能，在app退到后臺(tái)或者被殺死，仍然可以通知到客戶。在去中心化IM架構(gòu)中，因?yàn)橄⑹嵌说蕉思用艿模?jié)點(diǎn)在給app發(fā)送推送時(shí)，只有提醒“您有一條新消息”，不會(huì)有消息內(nèi)容。這是在隱私保護(hù)與用戶體驗(yàn)之間的妥協(xié)與平衡。
開源現(xiàn)狀
目前在開源社區(qū)比較接近去中心化IM理念的產(chǎn)品matrix。
matrix的特性：
• 每個(gè)用戶都有歸屬于一個(gè)Home Server，用戶名格式@user:domain，比如 @Alice:163.com , 跟e-mail郵箱名很類似
• Home Server之間采用聯(lián)邦式協(xié)議，Matrix網(wǎng)絡(luò)由分布在世界各地，由不同個(gè)人和組織運(yùn)營(yíng)的服務(wù)器組成，因此Matrix協(xié)議不容易被單個(gè)組織壟斷
• 私聊和群聊是端到端加密的，所有聊天內(nèi)容加密存儲(chǔ)、加密傳輸。Home Server無法看到用戶的聊天內(nèi)容
• 默認(rèn)使用HTTPS+JSON APIs作為傳輸協(xié)議
• 可以通過Bridge與 Telegram, Discord, WhatsApp, Facebook, Hangouts, Signal 互通
• 支持通過WebRTC進(jìn)行音視頻通話
matrix的缺點(diǎn)：
-用戶ID(地址)成本高，因?yàn)?@Alice:matrix.com 帶有域名后綴，如果用戶想擁有永久Id，必須購(gòu)買域名。如果使用SP的域名，則用戶Id本身并不被用戶所擁有，這跟web3的理念是相違背的。
- matrix是 https + json，優(yōu)點(diǎn)是容易理解，缺點(diǎn)是占用更多帶寬，并且在序列化和反序列化時(shí)會(huì)消耗更多的cpu。
- Home Server之間是全連接(full mesh)方式，當(dāng)參與的Home Server比較多時(shí)，比如有上千甚至上萬個(gè)Home Server時(shí)，Server之間的連接消耗會(huì)導(dǎo)致性能急劇下降。
總的來說 matrix 更像是一個(gè)去中心化的e-mail，距離真正的去中心化還有一些差距。
目前Web3的技術(shù)創(chuàng)新和變革也是風(fēng)起云涌，不斷有新的算法和架構(gòu)出現(xiàn)。環(huán)信作為國(guó)內(nèi)IM云服務(wù)的開創(chuàng)者，在設(shè)計(jì)下一代IM技術(shù)架構(gòu)時(shí)，也在積極借鑒和探索這些前沿技術(shù)，為我們的客戶提供穩(wěn)定、可靠、專業(yè)、低成本高質(zhì)量的IM服務(wù)，為客戶賦能和創(chuàng)造更多的價(jià)值。
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