Вообще, тема мессенджеров сегодня довольно популярна и нет-нет, да и появятся те, кто посмотрит на то, что есть и захочет сделать нечто своё. Как-то я уже делал свой мессенджер, потом у меня было ещё несколько подходов и я, в конце концов, пришёл к выводу, что больно это хлопотное дело. И попробую объяснить, почему не стоит делать что-то новое сегодня. А может быть, напротив, вы решите, что задача довольно простая и легко решаемая.
Разработка мессенджера — это сложная инженерная задача, требующая продуманного подхода к проектированию многоуровневой архитектуры. Каждый уровень решает свой круг задач, от базовой доставки сообщений до обеспечения безопасности и работы с большими объемами данных. Давайте рассмотрим это поподробнее.
Уровень 1. Очередь сообщений с сохранением
Фундаментом любого мессенджера является система обмена сообщениями, построенная по принципу «издатель-подписчик» (Pub/Sub). В этой модели есть издатели (publishers), которые отправляют сообщения, и подписчики (subscribers), которые их получают. Сущность, на которую подписываются клиенты, называется каналом (channel или topic), который, по сути, и представляет собой издателя. При подключении клиент подписывается на определенный набор каналов (например, личные чаты, групповые беседы), чтобы начать получать сообщения. Нас интересует режим гарантированной доставки сообщения строго один раз (exactly-once delivery), что исключает как потерю данных, так и дублирование. Просто для справки: есть и другие режимы.
Базовые задачи этого уровня — маршрутизация сообщений между участниками. Любое отправленное сообщение адресуется либо конкретному пользователю, либо группе, либо каналу. При этом каждый клиент выступает в обеих ролях: и как отправитель, и как получатель. В сценарии «клиент-клиент» клиент А (издатель) отправляет сообщение в канал, уникальный для диалога с клиентом Б. Клиент Б (подписчик), будучи подключенным к этому каналу, мгновенно получает сообщение. Если сообщение отправляется группе клиентов, процесс аналогичен, но сообщение либо отправляется несколько раз, либо отправляется на заранее созданный на сервере псевдоним (alias), представляющий эту фиксированную группу. В случае «клиент-канал» (например, публичный чат) канал сначала действует как подписчик, принимая сообщение от клиента, а затем как издатель, рассылая его всем своим подписчикам.
Обязательные задачи
Включают аутентификацию и авторизацию. Прежде чем клиент сможет подписаться на канал или отправить в него сообщение, система должна проверить его личность (аутентификация) и права доступа (авторизация). Это гарантирует, что пользователь получает только свои сообщения, отправляет их только в разрешенные каналы и не может подписаться на чужие личные диалоги.
Продвинутые задачи
Повышают надежность и удобство системы. К ним относится сохранение истории сообщений на сервере для каждого клиента, чтобы при переподключении он мог загрузить пропущенные сообщения. Клиенты могут осуществлять контроль целостности, например, с помощью хэш-сумм, чтобы убедиться, что сообщение не было искажено при передаче. Система также должна обеспечивать отсутствие дубликатов и предоставлять механизмы для отправителя, чтобы контролировать факт доставки сообщения всем участникам канала или группы.
Уровень 2. Упаковка данных
Эффективный обмен данными требует четко определенного формата протокола. Каждый пакет данных должен содержать заголовок (header) и полезную нагрузку (payload). Заголовок включает метаинформацию, необходимую для маршрутизации сообщения без необходимости разбирать его тело (ту самую полезную нагрузку).
Идеальная структура заголовка включает поля «отправитель», «получатель» и полезные данные. По мере необходимости в заголовок нередко добавляются и другие метаданные: временная метка, тип сообщения, флаги срочности и т.д.
Крайне важны задачи сериализации и десериализации данных. Перед отправкой структурированные данные (объекты, сообщения) должны быть преобразованы (сериализованы) в последовательность байтов (или символов, что актуально для текстовых форматов данных... хотя это, конечно, тоже байты).
На стороне получателя эта последовательность преобразуется обратно (десериализуется) в структуру данных. Для этого используются такие форматы, как JSON, XML или более эффективные бинарные протоколы, например, Protocol Buffers (protobuf).
Уровень 3. Безопасность
Хотя я и указываю безопасность лишь как третий уровень разработки, в реальности это первоочередная задача. Просто с реализацией можно, на первых порах, подождать.
Безопасность — критически важный аспект, реализуемый на нескольких фронтах. Во-первых, внедряются протоколы аутентификации (например, OAuth 2.0, JWT) и авторизации (например, на основе ролей — RBAC), которые определяют, кто может войти в систему и какие действия ему разрешены.
Во-вторых, добавляется сквозная криптографическая защита. На этапе установления соединения используется TLS (Transport Layer Security), создавая защищенный канал между клиентом и сервером. Для обеспечения сквозного шифрования (когда сообщения шифруются на устройстве отправителя и расшифровываются только на устройстве получателя) применяются такие протоколы, как Signal Protocol. Это требует продуманной системы управления ключами, сертификатами и их безопасной доставки клиентам. Следует предусмотреть разные алгоритмы шифрования для разных задач: например, асимметричное шифрование для обмена ключами и симметричное — для шифрования потока данных.
В-третьих, необходим контроль аномального поведения: системы должны детектировать и блокировать спам, попытки подбора пароля (брут-форс), DDoS-атаки и другие попытки несанкционированного доступа. Наконец, защита серверных данных подразумевает выстраивание строгой архитектуры безопасности, контроль доступа к внутренним сервисам, шифрование данных на дисках и регулярный аудит.
Впрочем, не могу не отметить, что "во-первых" и "во-вторых" можно объединить под эгидой TLS: ключи и сертификаты вполне надёжно гарантируют как безопасное соединение, так и учитывают возможность авторизации клиента по сертификату.
Уровень 4. Поддержка звонков
Реализация голосовых и видео-звонков требует разработки отдельного протокола поверх базовой системы обмена сообщениями. Начинается всё с процесса инициализации звонка: обмена сигнальными сообщениями (предложение, ответ, завершение) через основной мессенджер. И, хотя существует некоторое количество открытых библиотек и протоколов, "свои правила" начала звонка придётся реализовывать своими силами.
Для обычных звонков используются три основные модели: через сервер (SFU/MCU), p2p (peer-to-peer, клиент-к-клиенту) и гибридный подход. P2P эффективен для звонков один-на-один, но плохо масштабируется.
Серверная модель, хоть и создает нагрузку на процессор, незаменима для групповых звонков, так как берёт на задачи маршрутизации, смешивания и ретрансляции медиапотоков.
В процессе реализации можно использовать готовые протоколы вроде SIP (Session Initiation Protocol) или разработать собственный аналог. Ключевые инженерные задачи здесь — синхронизация аудио и видео, управление сжатием данных (кодеками) и динамическая адаптация битрейта под качество сети пользователя.
Групповые звонки — это архитектурный вызов. Реализация их через p2p-цепочки практически невозможна из-за экспоненциального роста нагрузки на каждого участника. Работа через сервер (например, используя модель SFU - Selective Forwarding Unit) считается самой эффективной, хоть и ресурсозатратной. SFU принимает медиапоток от каждого участника и перенаправляет его остальным, что значительно снижает нагрузку по сравнению с MCU (Multipoint Control Unit), которая смешивает потоки.
Хотя существуют экспериментальные концепции (например, на основе блокчейн-реестров для децентрализованного управления), серверный подход остается индустриальным стандартом.
Пример: такие приложения, как Zoom или Discord, используют гибридный подход, применяя SFU-архитектуру для эффективного масштабирования групповых видеоконференций.
Уровень 5. Скорость
Оптимизация скорости направлена на снижение задержек (latency) и потребления ресурсов. Ключевой метод — снижение процессорного времени на обработку и маршрутизацию каждого сообщения.
Для сокращения сетевого трафика текстовые протоколы (например, JSON) заменяются на бинарные, такие как protobuf (Protocol Buffers), который обеспечивает меньший размер пакета и более быструю сериализацию. Но я это уже упоминал выше.
Для аудио и видео данных применяется агрессивная оптимизация: используются современные кодеки (например, OPUS для аудио, AV1 для видео), которые обеспечивают высокое сжатие при допустимом уровне потерь качества. Это значительно сокращает исходящий трафик.
Еще один резерв оптимизации — выбор менее затратных криптографических алгоритмов (например, ChaCha20 вместо AES-GCM на некоторых мобильных платформах) для снижения нагрузки на ЦПУ. В исключительных случаях для ускорения маршрутизации может применяться отказ от шифрования служебных полей заголовка, которые необходимы для быстрого определения адресата.
Уровень 6. Масштабирование
Чтобы система выдерживала рост числа пользователей, архитектура должна быть горизонтально-масштабируемой. Первый шаг — выбор брокера сообщений, способного к такому росту, например, Apache Kafka или Pulsar. Эти системы изначально разработаны для масштабирования.
В работе с данными необходимо изначально закладывать механизмы репликации (создание и поддержание копий данных на нескольких серверах для отказоустойчивости), партиционирования (разделение данных по сегментам, например, чаты разных пользователей хранятся в разных физических таблицах) и шардирования (распределение данных одной логической сущности, например, размещение одной большой таблицы сообщений на нескольких серверах).
Следует предусматреть возможность запуска множества экземпляров серверов приложений и очередей, которые могут обмениваться данными между собой.
Оптимизация этого межсерверного трафика — отдельная задача. Весь обмен между серверами должен быть безопасным и доверенным. Для равномерного распределения входящих подключений между серверами в систему добавляется балансировщик нагрузки, такой как Nginx или HAProxy.
Пример: Такие мессенджеры, как WhatsApp или Telegram, используют глобальную сеть шардированных серверов, где пользователи из разных регионов обслуживаются разными кластерами, объединенными в единую систему.
Уровень 7. Работа с объёмными данными
Мессенджер сегодня — это не только текст, но и огромные объемы медиафайлов. Хранить всё в основной базе данных или очереди сообщений неэффективно.
Более взвешенный подход — разделение данных: метаинформация (кто, кому, когда) идет в основную систему, а сами файлы — в специализированные CDN (Content Delivery Network) и S3-совместимые объектные хранилища (например, Amazon S3, или его самохостируемый аналог MinIO).
Каждый загруженный файл (аватарка, картинка, видео) сохраняется в объектное хранилище, а клиенту возвращается прямая ссылка на него. Эта ссылка затем может раздаваться через CDN для ускорения доступа пользователям по всему миру. При этом система авторизации должна проверять права доступа к файлу перед тем, как CDN его отдаст.
В плане масштабирования этот подход отлично работает «из коробки», однако безопасность (проверка прав) и тонкая настройка скорости отдачи (кэширование) ложатся на плечи разработчиков мессенджера.
Ну а для отображения данных в мессенджере - потребуется просто добавить в текстовые сообщения управляющие сигналы, загружающие изображение или видео вместо публикации ссылки.
Заключение
Как видно, создание своего мессенджера - задача совсем не сложная. Но объёмная. Можно взять много чего готового (тот же XMPP и его готовые решения).
Делать что-то своё, имея такой вот план, или нет - дело ваше. Но не могу не вспомнить: в начале 2000-х, после успеха vkontakte, начали появляться люди, которые хотели, чтобы им написали "такой же сайт", не понимая ни масштаба, ни сложности задачи. Предлагая, к слову, за эту работу какие-то смехотворные деньги. В общем, если вам попадётся такой предприниматель, который захочет свой телеграм с преферансом и куртизанками - не отказывайтесь. План у вас есть. Только деньги берите вперёд.