弹幕系统更新的血与泪

阅读数:23 2019 年 11 月 13 日 11:57

弹幕系统更新的血与泪

16 年是直播浪潮兴起的元年,许多互联网公司的业务都开始涉足直播内容模块。我目前所在公司接手的第一份工作,就是直播业务中的弹幕系统优化。随着公司直播业务的变化,弹幕系统从最初的版本到后来优化了三四个版本,这个过程大概持续了一年的时间,本文将从我司早期的弹幕系统开始给大家介绍整个更新过程的“血与泪 ”。

早期弹幕系统

一、基本状况

1. 由 PHP + Gateway 框架编写。
2. 所有的 Client ID 存放在 Redis 里面。
3. 最初由三台机器挂载在 LVS 系统后方提供服务。
4. 使用多进程的方式,开启多个 worker 进程来处理消息传递内容。

二、存在的问题

1. 内存占用量巨大,单机(4 核 8 G 配置)承受 500 左右的 Client 就会达到内存上限。
2. 每次发送消息的时候,每台机器都需要从 Redis 里面拿取对应房间的所有 Client ID;并发高时,Redis 的单进程处理效率和内网带宽就成为瓶颈 。
3. 单机的并发处理能力被消息处理的 worker 进程数量限制。同时开启过多的进程,也是对系统资源的格外浪费。
4. 单房间超过 2000 人的时候,消息的延迟有可能会达到 1 分钟左右,这是极其严重的问题。

三、临时改造

由于需要解决的问题比较紧迫,所以快速做了一些逻辑上的改变和业务层面的取舍:

1. 对 Redis 的实例进行了拆分,使用了双机,单机 4 实例的方式,分散了 Redis 的压力。
2. 对消息处理 worker 进程的逻辑做了一些修改,限制单位时间内进行广播的消息数量,多余的消息会被丢弃 。
3. 对于已经完成了直播进入点播状态的房间,额外启用了另外一套弹幕系统来进行分流。
4. 单个房间切成多个房间进行消息处理。

四、改造之后的效果

1.Redis 压力大幅度降低;
2. 单机 IO 性能压力降低;
3. 同样数量的机器,可以承载更多的直播房间个数。

弹幕系统更新的血与泪

但是,根本问题并没有得到解决。在临时解决压力问题之后,我们需要花一些时间来重新对弹幕系统进行分析,按照分析后的需求,对新的弹幕系统进行重构。

新的弹幕系统

一、新弹幕系统面临的挑战

1. 单房间人数较高,依照我们公司直播情况,单房间 5 - 10 万人同时在线是会出现的。
2. 由于直播内容等情况造成的某时间段用户暴涨。
3. 需要尽可能实时到达,延迟过高的话会大大降低互动的实时性。
4. 每一条消息,都要递送大量的长连接。
5. 大量长连接的维护机制。
6. 在运营的过程中,需要处理用户黑名单、IP 黑名单、敏感词等需求。

二、新的弹幕系统需求

1. 由于内存的管理对于 PHP 来说算是一个短板,对于大并发且长时间稳定不需要经常更新维护的系统来说,并非最好的选择,因此选一门合适的语言是必须的。
2. 分布式支持,可以快速的横向扩展,单房间人数可以支持到十万级别。
3. 可以方便快捷的对系统进行第三方消息的发送(例如礼物信息、系统通知等)。
4. 尽量使用本地内存管理来记录房间内客户端连接,剩下大量的数据交互和查询时间。
5. 并发支持消息广播,提高广播效率。

三、新弹幕系统版本的改造方法

1. 选择当前正红且对高并发支持良好的 Golang 作为开发语言。
2. 使用开发语言进行客户端连接的管理,且每台机器只管理自己收到的连接请求。
3. 使用并发的房间内广播逻辑,同时对多人进行广播。

新弹幕系统改造的相关经验

下面先对一个模块细节进行分析,然后进一步分析模块上层的调度逻辑。

一、房间管理

复制代码
type RoomInfo struct {
RoomID string // 房间 ID
Lock *sync.Mutex // 房间操作锁
Rows []*RowList // 房间多行 Slice
Length uint64 // 当前房间总节点数
LastChangeTime time.Time // 最后一次更新时间
} type RowList struct {
Nodes []*Node // 节点列表
}

由于每个房间都有自己的 ID,客户端建立连接之后,就会被放到一个大厅房间里面。接着,客户端自己提交 RoomID 上来,连接会被重新连接到对应的房间里面。 每个连接在建立之后,都会被包装成一个 Node,放到 Rows 里面。

复制代码
type Node struct {
RoomID string
ClientID int64
Conn *websocket.Conn
UpdateTime time.Time
LastSendTime time.Time // 最后一次发送消息时间
IsAlive bool
DisabledRead bool// 是否已经被关闭了发言权限
}

每一个 Node 中,都有一个 IsAlive 来表示连接是否成功。如果连接断开,或者因为其他原因强制停止服务的话,会修改此标记状态。然后由定时的处理机制将此连接关闭并从内存中清除。

Rows 的本质就是一组事先设定了长度的 Node Slice。发送消息的时候,每一组 slice 使用一个协程来顺序发送。同一房间内的链接,就可以依照 slice 分组进行并发发送。 发送的时候,会使用锁将整个房间锁住,以防止并发情况下同一连接混入两条信息。

二、消息管理

复制代码
var messageChannel map[string]chan nodeMessage
func init() {
messageChannel = make(map[string]chan nodeMessage)
}
func sendMessageToChannel(roomId string, nm nodeMessage) error {
// 如果房间不存在,创建一个房间
if c, ok := messageChannel[roomId]; ok {
c <- nm
} else {
// 创建房间通道
messageChannel[roomId] = make(chan nodeMessage, 1024)
messageChannel[roomId] <- nm
// 创建房间实例
roomObj := &RoomInfo{}
roomObj.RoomID = roomId
roomObj.Rows = make([]*RowList, 0, 4)
roomObj.Lock = &sync.Mutex{}
// 创建新的协程来监控房间
go daemonReciver(messageChannel[roomId], roomObj)
go timerForClean(messageChannel[roomId])
// 如果是大厅的话,启动大厅清理协程
if roomId == "" {
go CleanHall(roomObj)
}
}
return nil
}

以上是关于弹幕信息传递的一部分代码。首先,每一个房间,都有自己的消息通道,所有的这些通道根据 RoomID 为 key,记录在一个叫做 messageChannel 的 map 里面。 每次收到消息的时候,都直接把消息丢到 channel 里面,就可以了。(后面由守护协程来处理)如果没有房间通道的话,就建立房间的通道 channel,并启动每个房间的一系列协程。

三、服务器管理

这里的方案比较简单,其实就是建立一个上一层的聊天室即一个房间,所有的服务器都会主动连接到这里,每一个服务器收到的信息,就会在这个房间里面广播到别的机器去。

四、守护协程们管理

守护协程处理很多琐碎的事情,保证房间内信息的正常分发以及房间连接的正常管理。各个守护协程的功能如下:

1. 消息发送协程:每个房间配备一个,从 channel 里面获取到要发送到本房间的消息,然后在并发调用各个 RowList 的发送消息机制。

2. 房间整理协程:因为会有连接断开、房间更换等修改 Node 状态的行为,所以定期会有房间整理协程来进行节点整理,删除当前房间无关的节点等以提高消息的发送效率。

弹幕系统更新的血与泪

五、测试相关

运行环境: 云主机 8 核 16 G 实例
操作系统: Centos 7(未进行系统优化或参数调整)
测试内容: 单机建立 15000 websocket 连接,并且发送消息,进入指定房间(所有连接进入同一房间)。一个客户端进入房间,发送一条消息,经过敏感词处理、IP 和用户黑名单处理,然后被广播到所有节点。

测试结果如下:

CPU 占用: 保持在 5% 以下
内存占用: 2GB(包括操作系统本身开销)
网络占用: 峰值 10Mb/s 左右
发送效率: 15000 节点广播,100ms - 110ms 左右。

根据测试结果计算:

完全可以在 8 核 16G 的机器上,实现无压力运行 50K 并发,峰值接近 60 - 70K 的处理能力。

六、更多分享

我目前正在尝试把完成这套弹幕系统的基本功能开源出来。已经提取出来了一部分,感兴趣的读者可以通过链接查看。

弹幕系统给视频直播 / 点播增加了更多内容的互动娱乐性质,从最初的 A 站 B 站发展到现在各主流视频网站 APP。如何健康高效的管理弹幕系统,也是当下视频行业需要重视的一门技术活。

本文转载自公众号 UCloud 技术(ID:ucloud_tech)。

原文链接:

https://mp.weixin.qq.com/s/CXp6Q2pxo3Pc7yQg4gM1vw

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