前言
Web3.0時代的重要特點：
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)都歸屬于用戶，用戶所創(chuàng)造的價值可以由用戶自主支配。對于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)機構(gòu)。
2、去中心化
這個業(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網(wǎng)絡(luò)，隨時都可以加入和退出，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Web3.0兩個特點，可以推導(dǎo)出Web3.0對IM的技術(shù)需求：
1.、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)節(jié)點是動態(tài)的，全球任何一個地方的節(jié)點都可以隨時加入和退出網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的崩潰和退出都不影響網(wǎng)路正常運作。
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)點只做存儲與轉(zhuǎn)發(fā)，無法查看聊天消息和好友列表等數(shù)據(jù)內(nèi)容。
這些需求對技術(shù)架構(gòu)和實現(xiàn)具有非常大的挑戰(zhàn)。
第2點需求意味著需要支持動態(tài)擴容和索容。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，集群出口帶寬可達到千兆甚至萬兆。即使是在這么好的條件下，動態(tài)平滑地擴容和縮容，服務(wù)平穩(wěn)運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)點的性能，配置，可靠性，網(wǎng)絡(luò)帶寬等參差不齊，機器隨時都可能關(guān)機，網(wǎng)絡(luò)隨時都可能斷開，甚至還可能存在一些惡意節(jié)點，發(fā)送惡意數(shù)據(jù)影響網(wǎng)絡(luò)正常運行。這些因素都是在設(shè)計和實現(xiàn)去中心化IM所要面對和考慮的，當(dāng)然從另一個角度來看，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：
• 提供一個路由層，對用戶按地域或哈希把用戶分配到某個機房
• 同一個用戶的相關(guān)請求，只在一個機房內(nèi)完成所有業(yè)務(wù)「閉環(huán)」，不再出現(xiàn)「跨機房」訪問
• 機房之間互為熱備份，每個機房都保存所有用戶全量數(shù)據(jù)
• 當(dāng)某個機房發(fā)生災(zāi)難時，備份機房的從庫升級成主庫，并在路由層切換用戶到備份機房
異地多活的思路對于去中心化架構(gòu)是非常具有借鑒意義的，可以把機房看成是一個節(jié)點，當(dāng)無數(shù)個機房（節(jié)點）組成一個網(wǎng)絡(luò)時，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)點足夠多時，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)。比如對于用戶張三，我們需要知道當(dāng)前服務(wù)張三的節(jié)點到底在哪里。一個直觀的方案，是一個一個節(jié)點地問（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很快就傳遍全公司”。比如張三連接的節(jié)點1隨機向臨近節(jié)點廣播“張三在節(jié)點1上”， 臨近節(jié)點再隨機向它的臨近節(jié)點廣播，即一傳十，十傳百，消息很快傳遍全網(wǎng)，所有節(jié)點都知道“張三在節(jié)點1上”。反過來，如果節(jié)點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)點指知道張三的地址，立即向節(jié)點2返回張三地址，結(jié)束查詢過程。Gossip不是一個新的東西，大家熟知的redis集群采用了Gossip協(xié)議。
Gossip的優(yōu)點是對網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性幾乎沒有任何要求，具有極強的魯棒性。缺點是網(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)點的額外處理負載。
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 把成千上萬個節(jié)點構(gòu)成一個自我組織的網(wǎng)絡(luò)，用戶可以使用這個網(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)都拘泥于細節(jié)中，這里簡單介紹Kademlia的原理，能解決什么問題，至于詳細原理請自行搜索其他文章。
1. Kademlia網(wǎng)絡(luò)是一個索引網(wǎng)絡(luò)，解決的是如何快速定位資源位置的問題
2. 每個資源都有唯一的哈希值
3. 每個節(jié)點都有唯一的哈希值
4. Node-900擁有一個資源，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個節(jié)點，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個節(jié)點獲取目錄
c. 因為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不斷地上線下線，距離資源最近的k個節(jié)點集合會不斷變化，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個節(jié)點集合變成 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，兩個邏輯距離很近的節(jié)點，物理上可能相隔很遠。
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歸攏到一個地方，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)點過來的，接收消息順序可能會亂序。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：
• 時間戳
每條消息都打上一個時間戳，在接收端根據(jù)時間戳排序。但是去中心化網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點間的時鐘不可能完全同步，仍然存在先后順序錯亂的可能性。
• 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。此方案的缺點是增加客戶端處理消息的復(fù)雜度。
端到端加密
因為任何人都可以加入去中心化IM網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點都可能接觸到消息，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“協(xié)商密鑰”，這個密鑰可以在后續(xù)的通訊中作為對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。
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“對稱密鑰S”是計算出來的，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對稱密鑰S，一旦S被破解得到則所有消息都會被破解。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)這個過程，即鏈式反應(yīng)
鏈式反應(yīng)生成的密鑰雖然很安全，但帶來一個新的問題，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算2次才能得出，如果要得到“消息密鑰10000”，則要計算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，因為消息是端到端加密的，節(jié)點在給app發(fā)送推送時，只有提醒“您有一條新消息”，不會有消息內(nèi)容。這是在隱私保護與用戶體驗之間的妥協(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：
• 每個用戶都有歸屬于一個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，由不同個人和組織運營的服務(wù)器組成，因此Matrix協(xié)議不容易被單個組織壟斷
• 私聊和群聊是端到端加密的，所有聊天內(nèi)容加密存儲、加密傳輸。Home Server無法看到用戶的聊天內(nèi)容
• 默認使用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進行音視頻通話
matrix的缺點：
-用戶ID（地址）成本高，因為 @Alice:matrix.com 帶有域名后綴，如果用戶想擁有永久Id，必須購買域名。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)點是容易理解，缺點是占用更多帶寬，并且在序列化和反序列化時會消耗更多的cpu。
- Home Server之間是全連接（full mesh）方式，當(dāng)參與的Home Server比較多時，比如有上千甚至上萬個Home Server時，Server之間的連接消耗會導(dǎo)致性能急劇下降。
總的來說 matrix 更像是一個去中心化的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)信作為國內(nèi)IM云服務(wù)的開創(chuàng)者，在設(shè)計下一代IM技術(shù)架構(gòu)時，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)造更多的價值。
