基于 HTTP/2 的全新 APNs 协议

https://developer.apple.com/library/content/documentation/NetworkingInternet/Conceptual/RemoteNotificationsPG/CommunicatingwithAPNs.html#//apple_ref/doc/uid/TP40008194-CH11-SW1 

前言：

APNs 协议在近两年的 WWDC 上改过两次，2015年12月17日更是推出了革命性的新特性。但在国内传播的博客、面试题里关于APNs的答案全都是旧的、错的。

正文：

对 APNs 的吐槽

APNs 是 Apple Push Notification service 的简称（注意 APNs 的大小写, s不需要大写）。

以下是我收集的一些关于 APNs 的吐槽，你先看下哪些吐槽比较“到位”：

答案会穿插在下文中。

APNs新闻

2014年6月份WWDC搭载iOS8及以上系统的iOS设备，能够接收的最大playload大小提升到2KB。低于iOS8的设备以及OS X设备维持256字节。参考文档：What's New in Notifications - WWDC 2014 - Session 713 - iOS

2015年6月份WWDC宣布将在不久的将来发布 “基于 HTTP/2 的全新 APNs 协议”，并在大会上发布了仅仅支持测试证书的版本。参考文档：What's New in Notifications - WWDC 2015 - Session 720 - iOS, OS X 

2015年12月17日起，发布 “基于 HTTP/2 的全新 APNs 协议”,iOS 系统以及 OS X 系统，统一将最大 playload 大小提升到4KB。参考文档：Apple Push Notification Service Update 12-17 2015

新旧 APNs 协议工作示意图对比

接下来我们分别对新旧协议进行一下介绍：

反人类的旧APNs协议设计

在介绍新版 APNs 前，让我们来吐槽下旧的基于二进制的 APNs 协议设计是多么反人类：

在理论上，推送分发的服务器要打开一个同 APNs 网关服务器的

连接，并保持这个连接。但在旧的协议下，APNs 服务却不保证 socket 能维持这个连接。如果通道上没有消息往来，空闲下来到话，socket将被路由掐断。也就是说：APNs 连接说断就断，而你无能为力。有意思的是：在旧的协议下，如果服务器响应成功的话，你将不会收到任何回应，但是如果服务器响应失败（例如，使用了一个非法的 Push token），服务器将返回了一个错误编码，并关闭这个socket。最重要的是，你必须重新发送使用这个无效 token 以后发送的所有推送（详情见示意图）。因此，你可能一直不能确定你的推送是否成功的被 APNs 服务器接收。

成功了不响应，失败了才响应，这个是最大的反人类。于是许多开发者想到了一个很 tricky 的办法：利用这个“漏洞”，比如在每发送10条后故意发送一个错误的token，如果APNs有响应了，就可以确认 APNs 是处在可用状态的，进而确认这10条消息是发送成功的。如果没有响应就说明可能连接已经中断，那么这10条消息很可能是丢失的，然后做进一步的处理。但代价显而易见：将导致你们的推送系统性能低下。（本文中所说到“你们的推送系统”，如果是使用的第三方的SDK完成的推送服务，那么就是指SDK提供商所搭建的推送系统。如果是你们公司自己搭建的推送系统，那么就是指你们自己的推送系统。）苹果有一个名为"feedback"的服务，我们可以定时调用这个服务来获取invalid tokens的列表。这个服务你只要调用一次就可以获得所有的invalid tokens 列表。所以，如果一个应用使用了很多不同公司的推送SDK，他们将会争夺资源去轮询查找invalid tokens列表。invalid token越多，你们的推送系统性能将越低。而且 APNs 只要一发生错误就关闭这个连接，然后重新连接。也就是“重启” socket 连接。

示意图：

图中的 PN2 去哪里了？它被放到了 feedback 列表里，等待下次你调用 feedback 服务，然后重发。

为什么Apple要在旧APNs中设计出“重启”的策略？为了效率。就像PC机出问题，我们总说“重启能解决90%的问题”。

为了理解“重启”策略，我们可以类比下，熟悉 Erlang/OTP 的朋友可能知道， Erlang/OTP 在处理错误方面有独到之处：监督树（supervision trees）。大致来说，每一个 Erlang 进程都由一个监督进程发起并监视。当一个进程遇到了问题的时候，它就会退出。当进程退出的时候，其监督进程会将其重启。

（这些监督进程由一个引导进程（bootstrap process）发起，当监督进程遇到错误的时候，引导进程会将其重启）

其思想是，快速的失败然后重启比去处理错误要快。像这样的错误处理看起来跟直觉相反 —— 当错误发生的时候通过放弃处理来获得可靠性。但是重启的确是解决暂时性错误的灵丹妙药。

这也可能让你想到 DNS 服务发展史：

DNS 在设计之初是基于 UDP 的，显然这样的设计不能满足当今社会的准确性的需求，于是涌现了如 DNSPod 这样的基于 HTTP 的 DNS 解析服务。但是当时为什么这样设计，实际也很好理解，UDP 效率高，一来一回网络上传输的只有两个包，而 HTTP则需要三次握手三个包，再一拆包，就需要四个包。这是受限于当时整个社会的带宽水平较低，而现在没人会感激 UDP 所节省的流量，所有人都在诟病DNS污染问题。这样你也许就理解了，为什么旧的 APNs 设计如此反人类。这个是必经阶段。

那么接下来就让我们看看Apple为解决这些问题而推出的基于 HTTP/2 的全新 APNs 协议。

基于 HTTP/2 的全新 APNs 协议

来看下新版的 APNs 的新特性：

1）Request 和 Response 支持JSON网络协议

2）APNs支持状态码和返回 error 信息

• APNs推送成功时 Response 将返回状态码200，远程通知是否发送成功再也不用靠猜了！

• APNs推送失败时，Response 将返回 JSON 格式的 Error 信息。

3）最大推送长度提升到4096字节（4Kb）

4）可以通过 “HTTP/2 PING ” 心跳包功能检测当前 APNs 连接是否可用，并能维持当前长连接。

5）支持为不同的推送类型定义 “topic” 主题

6）不同推送类型，只需要一种推送证书 Universal Push Notification Client SSL 证书。

示意图：

其中最大的变化就是基于了 HTTP/2 协议，采用了长连接设计，并提供 “HTTP/2 PING ” 心跳包功能检测、维持当前 APNs 连接，解决了老 APNs 无法维持连接的问题。

而且新增的状态码特性，也解决了这个问题：无法获知消息是否成功地从你们的推送系统投递到了 APNs 上。理论上，你们可以保证消息是100%投递到了APNs的，因为你可以准确的知道哪条消息到达了APNs，哪些没到。重发特定失败消息成为可能。

所以上文开头的吐槽中第一条，有一句是“不到位的”，因为现在SDK的提供商能够准确地告诉你哪些消息推送到APNs了，哪些没有。

顺便介绍下 HTTP/2：

HTTP/2 是 HTTP 协议发布后的首个更新，于2015年2月17日被批准。它采用了一系列优化技术来整体提升 HTTP 协议的传输性能，如异步连接复用、头压缩等等，可谓是当前互联网应用开发中，网络层次架构优化的首选方案之一。

Apple 对于 HTTP/2 的态度也非常积极，2015年5月 HTTP/2 正式发表后不久，便在紧接着6月召开的WWDC 2015大会中，向全球开发者宣布，iOS 9 开始支持HTTP/2。

而且如果我们要使用 HTTP/2，那么在网络库的选择上必然要使用 NSURLSession。

我们都知道 HTTP/2 是复用 TCP 管道连接的，而且 HTTP/2 也以高复用着称，这也使新的 APNs 协议更加高性能。（题外话：这点也同样体现在 NSURLSession 底层对于每个 session 是对多个 task 进行连接的复用。）

Universal Push Notification Client SSL 证书

在开发中，往往一条内容，需要向多个终端进行推送，终端有：iOS、tvOS、 and OS X devices, 和借助iOS来实现推送的 Apple Watch。在以往的开发中，不同的推送，需要配置不同的推送证书：我们需要配置：dev证书、prod证书、VOIP证书、等等。而从2015年12月17日起，只使用一种证书就可以了，不再需要那么多证书，这种证书就叫做Universal Push Notification Client SSL 证书（下文统一简称：Universal推送证书）。

改进了，但仍需改进。还是有坑

APNs的确改进来不少，但仍有需要改进对地方。还是有坑：

除了获取TLS证书比较复杂未解决外，还有一些坑：

文章开头提到过以下这种情况：

很遗憾的告诉你，你的吐槽是“到位的”：你以后还得忍受这种反人类的设计。

这中间发生了什么？

当 APNs 向你发送了4条推送，但是你的设备网络状况不好，在 APNs 那里下线了，这时 APNs 到你的手机的链路上有4条任务堆积，APNs 的处理方式是，只保留最后一条消息推送给你，然后告知你推送数。那么其他三条消息呢？会被APNs丢弃。

有一些 App 的 IM 功能没有维持长连接，是完全通过推送来实现到，通常情况下，这些 App 也已经考虑到了这种丢推送的情况，这些 App 的做法都是，每次收到推送之后，然后向自己的服务器查询当前用户的未读消息。但是APNs也同样无法保证这四条推送能至少有一条到达你的 App。很遗憾的告诉这些App，这次的更新对你们所遭受对这些坑，没有改善。

为什么这么设计？APNs的存储-转发能力太弱，大量的消息存储和转发将消耗Apple服务器的资源，可能是出于存储成本考虑，也可能是因为 Apple 转发能力太弱。总之结果就是 APNs 从来不保证消息的达到率。并且设备上线之后也不会向服务器上传信息。

所以上文开头的吐槽中第一条，也有一句是“到位的”，因为现在SDK的提供商依然无法保证，消息推到了 APNs，APNs能推到 App 那里。

但Google Cloud Messaging就有这些特性。而且 GCM 现在也支持iOS设备了，那么 APNs 和 GCM 现在就形成了竞争关系。让我共同期待 APNs 在2016年6月的 WWDC 的能有新的改进吧。

对App开发的影响

想使用新协议，如果你用的第三方推送，这里最明显的操作，就是你必须更新到支持新协议的SDK版本。因为新协议需要 SDK 上传你 app 的 bundle id ,生成各个平台推送用的 topic。如果你们自己搭建的服务，则需要你自己上传。老协议不用上传。

新 APNs 支持 iOS6 等全版本推送内容达4096字节，旧 APNs 是14年6月之前只支持256字节，在此之后支持 iOS8 以上2048字节。以前受限于推送字节，比如推文章 url，开发者选择超出256后推送id，甚至不判断直接推 id，接收后再请求完整 url。一旦请求错误，推送内容可能丢失。现在可以避免了。

如何创建 Universal Push Notification Client SSL 证书

现在你知道什么是 Universal Push Notification Client SSL 证书了，那么如何创建它？

图中其他方式，就叫做非 Universal 方式（下文简称：非 Universal 推送证书）：

这里也推荐使用 Universal 推送证书来进行推送服务。详细的创建步骤如下所示：

• 前往苹果开发者中心进行登录，并点击 “Certificates, Identifiers & Profiles”。

• 选择在 Certificates 栏下的“All”。

• 点击下图中红色边框内的加号按钮。

• 选择 “Production” 栏下的 “Apple Push Notification service SSL (Sandbox & Production)” 勾选后，点击下一步。

• 从 App ID 下拉菜单中选择你需要的 App ID ，点击下一步。

• 这时会出现 About Creating a Certificate Signing Request (CSR)。

• 根据它的说明创建 Certificate Signing Request。

• 点击下图中的 “Choose File” 按钮：

• 上传刚刚生成的 .certSigningRequest 文件 生成 APNs Push Certificate。

• 下载证书。

• 双击打开证书，证书打开时会启动钥匙串访问工具。

• 在钥匙串访问工具中，你的证书会显示在 “证书” 中，注意选择左下角的 “证书” 和左上角 “登录”。

结束语

对于 APNs 而言，iOS 9 的这一更新是有划时代意义的，请即刻敦促你们公司的服务端进行升级，或者使用支持新 APNs 协议的 SDK 进行推送服务。 文中如有错误，并请帮忙指正，反馈请发往微博@iOS程序犭袁。

参考链接：

Configuring Push Notifications

APNs Provider API

HTTP/2 Protocol for iOS Push Notification Server(APNS)