基于MQTT和ProtocolBuffer的推送系统(iOS)

2019 年 1 月 10 日 CocoaChina

由于业务需求，需要实现实时获取服务端更新的数据功能，基于这个需求，进行调研及技术方案的实施，最终决定采用MQTT +ProtocolBuffer基于长连接的数据实时推送的方案；具体实现方案见本文；

本文包括三个部分：1.技术选型 2.技术方案实践 3.未来优化方向

技术选型

在调研过程中，发现需求功能可以使用推送来实现，但最终经过各种考虑，发现自建长连接进行实时数据推送是最为贴合需求的实现方案；调研过程中，对推送厂家方案及本文方案做了对比，结果如下：

推送SDK	集成APNs	保持长连接
极光推送	是	是
个推	是	是
百度推送	是	否
腾讯信鸽	是	否
本文方案	否	是

从表格来看，本文方案不过是极光推送和个推的一种简化版，完全可以使用极光推送和个推来实现，或者是使用推送来进行数据推送；但从需求具体来讲，才更能体现本文方案的可行性及必要性；具体分析如下：

推送方案具有极大的不确定性，消息丢失率比较高

极光推送和个推SDK采用了长连接的方式，但是长连接协议并不可知，且数据传输格式，链接存在状态不受控制

自定方案，因采用MQTT 和 Protocol Buffer两种协议，对弱网情况兼容较好，设备性能要求相对较低，且对数据格式优化比较好，且链接状态完全可控，可以实时监控到链路是否可用，对分析问题、解决问题有很大便利；

技术方案实践

方案流程

整个技术方案大体流程如下图：

在整个过程中，消息的实时传送靠推送后台和长连接SDK建立的长连接来实现；而基于本方案实现的SDK则负责和推送后台维持长连接的有效性以及维持长连接的优化功能；

详细流程中涉及到的交互方和交互流程参照下图：

方案架构

在整个数据实时传送方案中，涉及到长连接的建立维护、通信数据按协议封装、业务数据封装及优化等功能，在此对整个方案进行整理，整理之后结构如下：

在整体结构中，分为业务层、应用层、传输层、和网络层，其中业务层、应用层、传输层组成了数据实时推送服务的SDK；
1.业务层：主要处理业务数据，消息存储，消息丢失、重复处理，以及数据格式转化等；
2.应用层：该层为整个SDK的核心层，封装了MQTT协议，以及对断线重连、安全连接等；
3.传输层：该层主要核心为调用系统API实现长连接、数据封包、超时重发等处理；

下面对整个SDK架构层级，以及各层级间包含的模块进行详细整理及说明；如下图：

业务层

该层主要解决，数据格式转化，消息丢失、重复，消息存储，数据统计等功能；下边对这些功能逐一介绍：

数据格式转化：此模块负责将ProtocolBuffer类型的数据转化成JSON数据
消息重复、丢失处理：此模块会根据规则判断收到的消息是否重复，或者在收到该信息之前是否丢过消息，经过处理之后，如果重复则不再传给业务方，如果有消息丢失也将告诉业务方，以便业务方处理相关情况；
消息存储：根据一定缓存策略对消息进行短时间存储，以便解决消息判重、处理丢失等问题；
数据统计：此模块将对消息进行统计，区分重复、丢失等情况，并将数据上报服务器，方便验证整个方案的可行性和问题等；

应用层

该层命名的来源主要来自于MQTT，因MQTT属于业务层协议，该层的操作绝大部分是对协议的实现以及优化；主要包含 MQTT的实现、心跳机制、断线重连机制、链接状态管理等；

MQTT的实现：此模块主要采用三方库MQTTClient，该三方库对MQTT协议进行了完整封装，目前阶段，该方案对MQTT协议的实现暂时依赖该库；
心跳机制：因项目初期，且方案有待验证，此模块暂时使用较为简单的固定心跳机制，设置心跳间隔为60S；对于该心跳间隔，因不确定个运营商的NAT超时时间，故对心跳间隔设置较小，此间隔可能引起手机流量、电量消耗的增加，此模块为后续重点优化模块；
断线重连机制：因存在网络切换、移动网络基站变更、以及网络断开等问题，特提供断线重连机制，此机制目前采用方案为：以2的n次方为时间间隔进行重连，n为重连次数，当n等于6时不再重试；
链接状态管理：此模块负责对应用前台、后台不同状态情况下，链接的处理情况的管理；

传输层

该层主要为调用系统API对Socket数据进行拼接组装，以及发起连接、关闭连接等操作；

对于该方案的具体模块，以上均已介绍完毕，以下是对该方案大致流程的梳理，如下图：

此流程展示出了SDK从建立链接、接收数据，经由TCP数据包处理、MQTT通信数据解析，到ProtocolBuffer数据格式处理等大致流程；到此，整个现有方案结束；

未来优化方向

考虑到移动端手机电量、流量、及网络连接不稳定的情况，上述方案显然不是完美的方案，针对上述方案，现有以下规划：

智能心跳策略

因心跳是保证连接存活的必要手段，心跳的存在毋庸置疑，但是心跳的存在，也必定会增加电量、流量的消耗；在此针对该方案的心跳策略提出以下针对性优化设想，特提出以下方案---智能心跳策略；大致流程如下图：

断线重连机制优化

因有可能发生服务器异常，造成客户端集体掉线的情况，客户端会立刻发起重连，在用户量较小的情况下，客户端集体重连对于服务端可以承受，但当用户量级达到一定数量，大量客户端的重连，可能就会产生重连风暴，直接导致服务端再次出现异常，因此对于重连机制也应考虑一个比较合适、能避免重连风暴的策略；

网络连接优化

IP直连、链路复用、控制传输包大小等。

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