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    Jack Jiang

    我的最新工程MobileIMSDK:http://git.oschina.net/jackjiang/MobileIMSDK
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    本文引用了“薔薇Nina”的“Nginx 相關(guān)介紹(Nginx是什么?能干嘛?)”一文部分內(nèi)容,感謝作者的無私分享。

    1、引言

    Nginx(及其衍生產(chǎn)品)是目前被大量使用的服務(wù)端反向代理和負載均衡方案,從某種意義上來講,Nginx幾乎是低成本、高負載Web服務(wù)端代名詞。

    如此深入人心的Nginx,很多人也想當(dāng)然的認(rèn)為,在IM或消息推送等場景下是否也能使用Nginx來解決負載均衡問題?

    另外,即時通訊網(wǎng)的論壇和QQ群里也經(jīng)常有人問起,Nginx是否能支持TCP、UDP、WebSocket的負載均衡?

    帶著上面的疑問,我們來開始本文的學(xué)習(xí)吧!

    學(xué)習(xí)交流:

    - 即時通訊/推送技術(shù)開發(fā)交流4群:101279154[推薦]

    - 移動端IM開發(fā)入門文章:《新手入門一篇就夠:從零開發(fā)移動端IM

    (本文同步發(fā)布于:http://www.52im.net/thread-2600-1-1.html

    2、相關(guān)文章

    3、Nginx的產(chǎn)生

    沒有聽過Nginx?那么一定聽過它的"同行"Apache吧!Nginx同Apache一樣都是一種WEB服務(wù)器。基于REST架構(gòu)風(fēng)格,以統(tǒng)一資源描述符(Uniform Resources Identifier)URI或者統(tǒng)一資源定位符(Uniform Resources Locator)URL作為溝通依據(jù),通過HTTP協(xié)議提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

    然而,這些服務(wù)器在設(shè)計之初受到當(dāng)時環(huán)境的局限,例如當(dāng)時的用戶規(guī)模,網(wǎng)絡(luò)帶寬,產(chǎn)品特點等局限并且各自的定位和發(fā)展都不盡相同。這也使得各個WEB服務(wù)器有著各自鮮明的特點。

    Apache的發(fā)展時期很長,而且是毫無爭議的世界第一大服務(wù)器。它有著很多優(yōu)點:穩(wěn)定、開源、跨平臺等等。它出現(xiàn)的時間太長了,它興起的年代,互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)遠遠比不上現(xiàn)在。所以它被設(shè)計為一個重量級的。它不支持高并發(fā)的服務(wù)器。在Apache上運行數(shù)以萬計的并發(fā)訪問,會導(dǎo)致服務(wù)器消耗大量內(nèi)存。操作系統(tǒng)對其進行進程或線程間的切換也消耗了大量的CPU資源,導(dǎo)致HTTP請求的平均響應(yīng)速度降低。

    這些都決定了Apache不可能成為高性能WEB服務(wù)器,輕量級高并發(fā)服務(wù)器Nginx就應(yīng)運而生了。

    俄羅斯的工程師Igor Sysoev,他在為Rambler Media工作期間,使用C語言開發(fā)了Nginx。Nginx作為WEB服務(wù)器一直為Rambler Media提供出色而又穩(wěn)定的服務(wù)。

    ▲ Igor Sysoev,Nginx的創(chuàng)始人

    然后呢,Igor Sysoev將Nginx代碼開源,并且賦予自由軟件許可證。

    由于以下原因:

    1)Nginx使用基于事件驅(qū)動架構(gòu),使得其可以支持?jǐn)?shù)以百萬級別的TCP連接;

    2)高度的模塊化和自由軟件許可證使得第三方模塊層出不窮(這是個開源的時代啊~);

    3)Nginx是一個跨平臺服務(wù)器,可以運行在Linux,Windows,F(xiàn)reeBSD,Solaris,AIX,Mac OS等操作系統(tǒng)上;

    4)這些優(yōu)秀的設(shè)計帶來的是極大的穩(wěn)定性。

    所以,Nginx火了!

    4、Nginx最常見的用途、用法、使用場景

    4.1 概述

    簡而言之,Nginx是:

    1)自由的、開源的、高性能的HTTP服務(wù)器和反向代理服務(wù)器;

    2)也是一個IMAP、POP3、SMTP代理服務(wù)器;

    3)可以作為一個HTTP服務(wù)器進行網(wǎng)站的發(fā)布處理;

    4)可以作為反向代理進行負載均衡的實現(xiàn)。

    4.2 什么是代理?

    說到代理,首先我們要明確一個概念,所謂代理就是一個代表、一個渠道。

    此時就涉及到兩個角色,一個是被代理角色,一個是目標(biāo)角色,被代理角色通過這個代理訪問目標(biāo)角色完成一些任務(wù)的過程稱為代理操作過程;如同生活中的專賣店~客人到adidas專賣店買了一雙鞋,這個專賣店就是代理,被代理角色就是adidas廠家,目標(biāo)角色就是用戶。

    4.3 什么是正向代理?

    說反向代理之前,我們先看看正向代理,正向代理也是大家最常接觸的到的代理模式,我們會從兩個方面來說關(guān)于正向代理的處理模式,分別從軟件方面和生活方面來解釋一下什么叫正向代理。

    在如今的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,我們?nèi)绻捎诩夹g(shù)需要要去訪問國外的某些網(wǎng)站,此時你會發(fā)現(xiàn)位于國外的某網(wǎng)站我們通過瀏覽器是沒有辦法訪問的,此時大家可能都會用一個操作FQ進行訪問,F(xiàn)Q的方式主要是找到一個可以訪問國外網(wǎng)站的代理服務(wù)器,我們將請求發(fā)送給代理服務(wù)器,代理服務(wù)器去訪問國外的網(wǎng)站,然后將訪問到的數(shù)據(jù)傳遞給我們!

    上述這樣的代理模式稱為正向代理:

    1)正向代理最大的特點是客戶端非常明確要訪問的服務(wù)器地址;

    2)服務(wù)器只清楚請求來自哪個代理服務(wù)器,而不清楚來自哪個具體的客戶端;

    3)正向代理模式屏蔽或者隱藏了真實客戶端信息。

    來看個示意圖(我把客戶端和正向代理框在一塊,同屬于一個環(huán)境,后面我有介紹):

    客戶端必須設(shè)置正向代理服務(wù)器,當(dāng)然前提是要知道正向代理服務(wù)器的IP地址,還有代理程序的端口。

    如下圖所示:

    總結(jié)來說:正向代理,"它代理的是客戶端,代客戶端發(fā)出請求",是一個位于客戶端和原始服務(wù)器(origin server)之間的服務(wù)器,為了從原始服務(wù)器取得內(nèi)容,客戶端向代理發(fā)送一個請求并指定目標(biāo)(原始服務(wù)器),然后代理向原始服務(wù)器轉(zhuǎn)交請求并將獲得的內(nèi)容返回給客戶端??蛻舳吮仨氁M行一些特別的設(shè)置才能使用正向代理。

    正向代理的用途:

    1)訪問原來無法訪問的資源,如Google;

    2) 可以做緩存,加速訪問資源;

    3)對客戶端訪問授權(quán),上網(wǎng)進行認(rèn)證;

    4)代理可以記錄用戶訪問記錄(上網(wǎng)行為管理),對外隱藏用戶信息。

    4.4 什么是反向代理?

    明白了什么是正向代理,我們繼續(xù)看關(guān)于反向代理的處理方式。

    舉例如我大天朝的某寶網(wǎng)站,每天同時連接到網(wǎng)站的訪問人數(shù)已經(jīng)爆表,單個服務(wù)器遠遠不能滿足人民日益增長的購買欲望了,此時就出現(xiàn)了一個大家耳熟能詳?shù)拿~:分布式部署。

    所謂分布式部署,也就是通過部署多臺服務(wù)器來解決訪問人數(shù)限制的問題。某寶網(wǎng)站中大部分功能也是直接使用Nginx進行反向代理實現(xiàn)的,并且通過封裝Nginx和其他的組件之后起了個高大上的名字:Tengine,有興趣的童鞋可以訪問Tengine的官網(wǎng)查看具體的信息:http://tengine.taobao.org/

    那么反向代理具體是通過什么樣的方式實現(xiàn)的分布式的集群操作呢,我們先看一個示意圖(我把服務(wù)器和反向代理框在一塊,同屬于一個環(huán)境,后面我有介紹),如下圖所示。

    通過上述的圖解大家就可以看清楚了:多個客戶端給服務(wù)器發(fā)送的請求,Nginx服務(wù)器接收到之后,按照一定的規(guī)則分發(fā)給了后端的業(yè)務(wù)處理服務(wù)器進行處理了。此時~請求的來源也就是客戶端是明確的,但是請求具體由哪臺服務(wù)器處理的并不明確了,Nginx扮演的就是一個反向代理角色。

    客戶端是無感知代理的存在的,反向代理對外都是透明的,訪問者并不知道自己訪問的是一個代理。因為客戶端不需要任何配置就可以訪問。

    反向代理,"它代理的是服務(wù)端,代服務(wù)端接收請求",主要用于服務(wù)器集群分布式部署的情況下,反向代理隱藏了服務(wù)器的信息。

    反向代理的作用:

    1)保證內(nèi)網(wǎng)的安全,通常將反向代理作為公網(wǎng)訪問地址,Web服務(wù)器是內(nèi)網(wǎng);

    2)負載均衡,通過反向代理服務(wù)器來優(yōu)化網(wǎng)站的負載。

    典型的項目場景:

    通常情況下,我們在實際項目操作時,正向代理和反向代理很有可能會存在在一個應(yīng)用場景中,正向代理代理客戶端的請求去訪問目標(biāo)服務(wù)器,目標(biāo)服務(wù)器是一個反向單利服務(wù)器,反向代理了多臺真實的業(yè)務(wù)處理服務(wù)器。

    具體的拓撲圖如下:

    4.5 正向代碼和反向代理的區(qū)別

    截了一張圖來說明正向代理和反向代理二者之間的區(qū)別,如下圖。

    圖解如下:

    1)在正向代理中,Proxy和Client同屬于一個LAN(圖中方框內(nèi)),隱藏了客戶端信息;

    2)在反向代理中,Proxy和Server同屬于一個LAN(圖中方框內(nèi)),隱藏了服務(wù)端信息。

    實際上,Proxy在兩種代理中做的事情都是替服務(wù)器代為收發(fā)請求和響應(yīng),不過從結(jié)構(gòu)上看正好左右互換了一下,所以把后出現(xiàn)的那種代理方式稱為反向代理了。

    4.6 Nginx的負載均衡技術(shù)

    我們已經(jīng)明確了所謂代理服務(wù)器的概念,那么接下來,Nginx扮演了反向代理服務(wù)器的角色,它是以依據(jù)什么樣的規(guī)則進行請求分發(fā)的呢?不用的項目應(yīng)用場景,分發(fā)的規(guī)則是否可以控制呢?

    這里提到的客戶端發(fā)送的、Nginx反向代理服務(wù)器接收到的請求數(shù)量,就是我們說的負載量。

    請求數(shù)量按照一定的規(guī)則進行分發(fā)到不同的服務(wù)器處理的規(guī)則,就是一種均衡規(guī)則。

    所以~將服務(wù)器接收到的請求按照規(guī)則分發(fā)的過程,稱為負載均衡。

    負載均衡在實際項目操作過程中,有硬件負載均衡和軟件負載均衡兩種,硬件負載均衡也稱為硬負載,如F5負載均衡,相對造價昂貴成本較高,但是數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性安全性等等有非常好的保障,如中國移動中國聯(lián)通這樣的公司才會選擇硬負載進行操作;更多的公司考慮到成本原因,會選擇使用軟件負載均衡,軟件負載均衡是利用現(xiàn)有的技術(shù)結(jié)合主機硬件實現(xiàn)的一種消息隊列分發(fā)機制。

    Nginx支持的負載均衡調(diào)度算法方式如下:

    1)weight輪詢(默認(rèn),常用):接收到的請求按照權(quán)重分配到不同的后端服務(wù)器,即使在使用過程中,某一臺后端服務(wù)器宕機,Nginx會自動將該服務(wù)器剔除出隊列,請求受理情況不會受到任何影響。 這種方式下,可以給不同的后端服務(wù)器設(shè)置一個權(quán)重值(weight),用于調(diào)整不同的服務(wù)器上請求的分配率;權(quán)重數(shù)據(jù)越大,被分配到請求的幾率越大;該權(quán)重值,主要是針對實際工作環(huán)境中不同的后端服務(wù)器硬件配置進行調(diào)整的。

    2)ip_hash(常用):每個請求按照發(fā)起客戶端的ip的hash結(jié)果進行匹配,這樣的算法下一個固定ip地址的客戶端總會訪問到同一個后端服務(wù)器,這也在一定程度上解決了集群部署環(huán)境下session共享的問題。

    3)fair:智能調(diào)整調(diào)度算法,動態(tài)的根據(jù)后端服務(wù)器的請求處理到響應(yīng)的時間進行均衡分配,響應(yīng)時間短處理效率高的服務(wù)器分配到請求的概率高,響應(yīng)時間長處理效率低的服務(wù)器分配到的請求少;結(jié)合了前兩者的優(yōu)點的一種調(diào)度算法。但是需要注意的是Nginx默認(rèn)不支持fair算法,如果要使用這種調(diào)度算法,請安裝upstream_fair模塊。

    4)url_hash:按照訪問的url的hash結(jié)果分配請求,每個請求的url會指向后端固定的某個服務(wù)器,可以在Nginx作為靜態(tài)服務(wù)器的情況下提高緩存效率。同樣要注意Nginx默認(rèn)不支持這種調(diào)度算法,要使用的話需要安裝Nginx的hash軟件包。

    5、Nginx對TCP、UDP、WebSocket的負載均衡支持

    5.1 概述

    準(zhǔn)確地說,對于熟悉Nginx的使用者來講,上面的章節(jié)所介紹的內(nèi)容都是針對Nginx最擅長的Http協(xié)議來講的,這也是Nginx最為成功的應(yīng)用場景。隨著Nginx的不斷升級和進化,開發(fā)者們對于Nginx能支持更為底層的TCP、UDP以及HTML5里才出現(xiàn)的WebSocket協(xié)議頗為期待,好在這一切已經(jīng)成真!

    Nginx從1.3版開始支持WebSocket協(xié)議的反向代理(負載均衡),從1.9.0版本開始支持TCP協(xié)議反向代理(負載均衡),從1.9.13開始支持UDP協(xié)議反向代理(負載均衡)。

    從原理上說,Nginx對于UDP或TCP的反向代理(負載均衡)是一致的,而WebSocket協(xié)議實際是就是TCP協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議,因此本節(jié)我們將介紹Nginx對TCP協(xié)議反向代理(負載均衡)的支持。

    Nginx對于經(jīng)典的HTTP協(xié)議,也就是我們通常所說的“七層負載均衡”,它實際上工作在第七層“應(yīng)用層”。而對于更為底層的TCP協(xié)議來說,負載均衡就是我們通常所說的“四層負載均衡”,工作在“網(wǎng)絡(luò)層”和“傳輸層”。例如,LVS(Linux Virtual Server,Linux虛擬服務(wù))和F5(一種硬件負載均衡設(shè)備),也是屬于“四層負載均衡”。

    5.2 TCP負載均衡的執(zhí)行原理

    當(dāng)Nginx從監(jiān)聽端口收到一個新的客戶端鏈接時,立刻執(zhí)行路由調(diào)度算法,獲得指定需要連接的服務(wù)IP,然后創(chuàng)建一個新的上游連接,連接到指定服務(wù)器。

    TCP負載均衡支持Nginx原有的調(diào)度算法,包括Round Robin(默認(rèn),輪詢調(diào)度),哈希(選擇一致)等。同時,調(diào)度信息數(shù)據(jù)也會和健壯性檢測模塊一起協(xié)作,為每個連接選擇適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)上游服務(wù)器。如果使用Hash負載均衡的調(diào)度方法,你可以使用$remote_addr(客戶端IP)來達成簡單持久化會話(同一個客戶端IP的連接,總是落到同一個服務(wù)server上)。

    和其他upstream模塊一樣,TCP的stream模塊也支持自定義負載均和的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)重(配置“weight=2”),還有backup和down的參數(shù),用于踢掉失效的上游服務(wù)器。max_conns參數(shù)可以限制一臺服務(wù)器的TCP連接數(shù)量,根據(jù)服務(wù)器的容量來設(shè)置恰當(dāng)?shù)呐渲脭?shù)值,尤其在高并發(fā)的場景下,可以達到過載保護的目的。

    Nginx監(jiān)控客戶端連接和上游連接,一旦接收到數(shù)據(jù),則Nginx會立刻讀取并且推送到上游連接,不會做TCP連接內(nèi)的數(shù)據(jù)檢測。Nginx維護一份內(nèi)存緩沖區(qū),用于客戶端和上游數(shù)據(jù)的寫入。如果客戶端或者服務(wù)端傳輸了量很大的數(shù)據(jù),緩沖區(qū)會適當(dāng)增加內(nèi)存的大小。

    當(dāng)Nginx收到任意一方的關(guān)閉連接通知,或者TCP連接被閑置超過了proxy_timeout配置的時間,連接將會被關(guān)閉。對于TCP長連接,我們更應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)膒roxy_timeout的時間,同時,關(guān)注監(jiān)聽socke的so_keepalive參數(shù),防止過早地斷開連接。

    5.3 服務(wù)健壯性監(jiān)控

    TCP負載均衡模塊支持內(nèi)置健壯性檢測,一臺上游服務(wù)器如果拒絕TCP連接超過proxy_connect_timeout配置的時間,將會被認(rèn)為已經(jīng)失效。在這種情況下,Nginx立刻嘗試連接upstream組內(nèi)的另一臺正常的服務(wù)器。連接失敗信息將會記錄到Nginx的錯誤日志中。

    如果一臺服務(wù)器,反復(fù)失?。ǔ^了max_fails或者fail_timeout配置的參數(shù)),Nginx也會踢掉這臺服務(wù)器。服務(wù)器被踢掉60秒后,Nginx會偶爾嘗試重連它,檢測它是否恢復(fù)正常。如果服務(wù)器恢復(fù)正常,Nginx將它加回到upstream組內(nèi),緩慢加大連接請求的比例。

    之所“緩慢加大”,因為通常一個服務(wù)都有“熱點數(shù)據(jù)”,也就是說,80%以上甚至更多的請求,實際都會被阻擋在“熱點數(shù)據(jù)緩存”中,真正執(zhí)行處理的請求只有很少的一部分。在機器剛剛啟動的時候,“熱點數(shù)據(jù)緩存”實際上還沒有建立,這個時候爆發(fā)性地轉(zhuǎn)發(fā)大量請求過來,很可能導(dǎo)致機器無法“承受”而再次掛掉。以mysql為例子,我們的mysql查詢,通常95%以上都是落在了內(nèi)存cache中,真正執(zhí)行查詢的并不多。

    其實,無論是單臺機器或者一個集群,在高并發(fā)請求場景下,重啟或者切換,都存在這個風(fēng)險。

    解決的途徑主要是兩種:

    1)請求逐步增加,從少到多,逐步積累熱點數(shù)據(jù),最終達到正常服務(wù)狀態(tài);

    2)提前準(zhǔn)備好“常用”的數(shù)據(jù),主動對服務(wù)做“預(yù)熱”,預(yù)熱完成之后,再開放服務(wù)器的訪問。

    TCP負載均衡原理上和LVS等是一致的,工作在更為底層,性能會高于原來HTTP負載均衡不少。但是,不會比LVS更為出色,LVS被置于內(nèi)核模塊,而Nginx工作在用戶態(tài),而且,Nginx相對比較重。

    6、Nginx能否實現(xiàn)IM的負載均衡?

    6.1 概述

    從上一節(jié)內(nèi)容來看,Nginx是可以實現(xiàn)TCP、UDP、WebSocket協(xié)議的反向代碼(負載均衡)的,既然如此,那么基于TCP、UDP或者WebSocket協(xié)議的IM聊天系統(tǒng)來說,是否能通過Nginx直接實現(xiàn)IM的負載均衡呢?

    要回答這個問題,我們首先來不同的長連接場景下,具體的數(shù)據(jù)走向情況。

    為了方便敘述,以下基于TCP、UDP或者WebSocket協(xié)議實現(xiàn)的socket長連接,我們簡稱為socket長連接。

    6.2 Nginx所支持的長連接反向代理數(shù)據(jù)走向能力

    對于利于Nginx實現(xiàn)的socket長連接,數(shù)據(jù)走向如下圖所示:

    如上圖,即:

    1)客戶端通過Nginx反向代理到一臺socket長連接服務(wù)器;

    2)客戶端可以與建立連接的socket長連接服務(wù)器進行雙向通信(即客戶端->socket長連接服務(wù)器、和socket長連接服務(wù)器->客戶端兩個方向)。

    簡而言之,Nginx能實現(xiàn)的長連接數(shù)據(jù)走向能力為:

    1)Client to Server方向(簡稱c2s):即客戶端向長連接服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)的能力;

    2)Server to Client方向(簡稱s2c):即長連接服務(wù)端向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。

    6.3 IM聊天軟件需要的長連接數(shù)據(jù)走向能力

    對于IM聊天應(yīng)用來說,必須具備的數(shù)據(jù)走向能力為:

    1)Client to Server方向(簡稱c2s):即客戶端向長連接服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)的能力;

    2)Server to Client方向(簡稱s2c):即長連接服務(wù)端向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的能力;

    3)Client to Client方向(簡稱c2c):即客戶端向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。

    IM聊天應(yīng)用中的3種數(shù)據(jù)走向,對應(yīng)的典型功能邏輯場景:

    1)Client to Server方向(簡稱c2s):通常用于客戶端向IM長連接服務(wù)端發(fā)起指令,比如:發(fā)起加好友請求、發(fā)送一條陌生人聊天消息、發(fā)送一條群聊消息等;

    2)Server to Client方向(簡稱s2c):通常用于服務(wù)端主動向客戶端推送指令,比如:向客戶端轉(zhuǎn)達加好友請求、轉(zhuǎn)發(fā)陌生人聊天消息、擴散寫式的發(fā)送群聊消息(給所有群成員)、系統(tǒng)通知等;

    3)Client to Client方向(簡稱c2c):即客戶端向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的能力,比如:一條正常的好友聊天消息就是由客戶端A發(fā)送給客戶端B(當(dāng)然這不一定是P2P技術(shù)實現(xiàn))。

    6.4 結(jié)論

    顯然,如上節(jié)所講,Nginx所實現(xiàn)的TCP、UDP或者WebSocket協(xié)議的反向代理(負載均衡),只能實現(xiàn)c2s、s2c兩種數(shù)據(jù)走向,而IM聊天應(yīng)用中是必須需要c2s、s2c、c2c 共3種消息走向。對于c2c這種數(shù)據(jù)走向,顯然是IM特有的場景需求,要讓Nginx這種通用解決方案來提供,就有點牽強了。

    我們可以得出結(jié)論:我們是無法通過Nginx直接實現(xiàn)IM的負載均衡的。

    換句話講,如果真能通過Nginx直接實現(xiàn)IM的負載均衡,那IM的服務(wù)端在處理高并發(fā)、高吞吐時,就可以像Http協(xié)議一樣安逸啦!

    6.5 例外

    不過,對于即時通訊網(wǎng)所關(guān)注的另一技術(shù)范疇——消息推送系統(tǒng)(或類似系統(tǒng)),是完全可以通過Nginx直接實現(xiàn)消息推送的負載均衡的,因為恰好消息推送系統(tǒng)也只需要c2s、s2c兩種數(shù)據(jù)走向,并不需要c2c這種橫向的數(shù)據(jù)交互。

    附錄:有關(guān)IM架構(gòu)設(shè)計的文章

    淺談IM系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計
    簡述移動端IM開發(fā)的那些坑:架構(gòu)設(shè)計、通信協(xié)議和客戶端
    一套海量在線用戶的移動端IM架構(gòu)設(shè)計實踐分享(含詳細圖文)
    一套原創(chuàng)分布式即時通訊(IM)系統(tǒng)理論架構(gòu)方案
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