im即时通讯开发：IM通信协议设计详解

本文要谈的IM通信协议指的是应用层通信“语言”，并非指传输层协议（如TCP、UDP）。IM通信协议的制定是IM开发中起点，也是贯穿设计、开发、运维始终的核心所在，通信协议设计的好坏，直接影响后绪环节的用户体验（数据流量、耗电量、通信速度）、兼容性（新老版本的无缝融合）、扩展性（后绪的版本升级怎么办）等，是个基础且极其重要的工作之一。

IM通信协议的分层设计

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

一套典型的IM通信协议设计分为三层：应用层、安全层、传输层。

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。

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。

二进制协议

二进制协议是指binary协议，典型是ip协议。

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）

d. 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。

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=’[url=mailto:romeo@example.net]romeo@example.net[/url]’

from=’[url=mailto:juliet@example.com]juliet@example.com[/url]’

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。即时通讯开发

XMPP协议有几个特点：

a.它是准标准协议，可以跨域互通

b.XML的优点，可读性好，扩展性好

c.解析代价超高（dom解析）

d.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）。

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。

使用SSL

证书管理微微复杂，代价有点高。

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。

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。

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