APNS：是什么、Apple推送通知服务的架构及工作原理

什么是APNS？

Apple推送通知服务（APNS）是苹果专有的服务，用于将推送通知从应用程序服务器路由到用户设备。与FCM不同，APNS不支持Android或其他平台——它完全绑定在苹果生态系统上。

该服务通过永久TLS连接工作，每台Apple设备在开机时与APNS服务器建立此连接。该连接在后台保持，用于以最小延迟投递通知。

APNS负责整个投递基础设施：加密、身份验证、优先级排序以及在设备不可用时的重新发送。开发者只需提供正确格式化的有效载荷和有效的推送令牌。

APNS的演变

最初APNS通过端口2195–2196上的二进制协议工作。自2015年起，苹果将该服务迁移到现代HTTP/2协议，该协议支持多路复用、头部压缩和服务器推送通知。HTTP/2自2020年6月起成为强制要求。

Apple推送通知服务是如何工作的？

通过APNS推送通知的投递过程包括五个阶段：设备注册、获取推送令牌、服务器发送请求、APNS路由和投递到设备。

• 注册 — 启动时应用程序调用registerForRemoteNotifications，系统联系APNS
• 令牌 — APNS向设备返回推送令牌——标识设备上应用程序的唯一字符串
• 发送 — 应用程序服务器向https://api.push.apple.com发送带有令牌和有效载荷的POST请求
• 路由 — APNS根据令牌找到设备并通过TLS连接投递消息
• 处理 — iOS/macOS根据状态显示通知或将其传递给应用程序

如果设备不可用（关机或没有网络），APNS会为每个应用程序存储最后一条消息，并在连接恢复时投递。最长存储时间为4周，之后消息被删除。

APNS中的身份验证：Token和Certificate

苹果支持两种在发送推送通知时验证应用程序服务器的方式。每种方式在有效期、管理和易用性方面各有特点。

基于令牌的身份验证——自2019年以来苹果推荐的方式。您在Apple Developer Console中创建一个p8密钥，将其上传到服务器，并用它签署每个APNS请求。密钥永不过期，并适用于您账户下的所有应用程序。

如何选择身份验证方式

对于新项目，基于令牌的身份验证无疑是更优选择：一个p8密钥覆盖整个账户，无限期有效，不受环境限制。基于证书的（.p12）身份验证仍用于传统项目，但需要每年更换证书，并且Sandbox和Production需要不同的证书。在规划CI/CD时请考虑证书的到期时间。

APNS推送通知的类型

APNS支持三种类型的推送通知，它们在设备上的行为和对请求属性的要求各不相同。类型的选择取决于用户体验场景和消息的紧急程度。

• Alert — 带有标题、文本和可选操作按钮的标准通知
• Background — 静默数据投递（静默推送），不向用户显示，在application:didReceiveRemoteNotification中处理
• VOIP — 用于VoIP应用程序（PushKit）的特殊类型，即使在应用程序关闭时也能立即投递

对于Background通知，必须设置content-available：1键，并将优先级设为5（节能投递）。如果应用程序未及时处理后台通知，系统可能会限制其数量。

设置投递优先级

APNS支持两个优先级值：10（立即投递）和5（节能模式）。对于alert通知，使用10——用户应立即收到。对于background通知，使用5——系统可能会延迟投递以节省电量。在background通知中使用不正确的优先级可能导致APNS拒绝该通知。

APNS有效载荷的格式

APNS接受JSON格式的有效载荷，普通通知的最大大小为4 KB，VOIP为5 KB。有效载荷包含必需的aps字典（包含显示设置）和可选的自定义字段。

{
    "aps": {
        "alert": {
            "title": "新消息",
            "body": "您有3个未读聊天"
        },
        "badge": 3,
        "sound": "default",
        "category": "message_category",
        "thread-id": "chat_room_42"
    },
    "customData": {
        "chatId": "42"
    }
}

thread-id键将通知分组到iOS通知中心。category键将通知与UNNotificationCategory关联，以显示操作按钮。没有这些键，所有通知都将单独显示。

APNS有效载荷中的自定义字段

除了必需的aps字典外，APNS有效载荷可以在顶层包含任何自定义字段。这些字段在处理通知时通过userInfo字典提供给应用程序。自定义数据便于传递实体标识符、屏幕或链接。有效载荷的最大大小为4 KB，因此避免通过推送传输大量数据；请在打开通知后通过API加载数据。

通过HTTP/2 API发送的示例

要在服务器上发送推送通知，需要向APNS端点发送带有正确身份验证头部的POST请求。以下是一个使用基于令牌身份验证的Node.js示例。

const http2 = require("http2")
const fs = require("fs")
const jwt = require("jsonwebtoken")

const token = jwt.sign(
    { iss: "TEAM_ID", iat: Math.floor(Date.now() / 1000) },
    fs.readFileSync("AuthKey.p8"),
    { algorithm: "ES256", keyid: "KEY_ID" }
)

const payload = JSON.stringify({
    aps: { alert: { title: "你好！", body: "测试推送" } }
})

const client = http2.connect(
    "https://api.push.apple.com"
)

const req = client.request({
    ":method": "POST",
    ":path": "/3/device/DEVICE_PUSH_TOKEN",
    "authorization": "bearer " + token,
    "apns-push-type": "alert",
    "apns-topic": "com.example.app",
    "apns-priority": "10"
})
req.end(payload)

req.on("response", (headers) => {
    if (headers[":status"] === 200) {
        console.log("推送发送成功")
    }
})

发送后，APNS在成功投递时返回HTTP状态200，或在响应正文中返回带有描述的错误代码。处理token-unregistered（410）错误非常重要——应将该令牌从服务器中删除，因为应用程序已从设备上移除。

APNS错误及其处理

APNS为每个发送请求返回HTTP状态。成功发送返回状态200。不同的错误需要不同的处理策略。BadDeviceToken（400）或Unregistered（410）——设备令牌已过期，需要从服务器中删除。PayloadTooLarge（413）——超过4 KB限制，请减少有效载荷大小。

TooManyRequests（429）错误——超过请求限制。APNS对每秒的发送次数设置配额。收到429时，需要采用指数退避（exponential backoff）并重试发送。建议每个HTTP/2连接每秒不超过100个请求。

APNS端的错误——500和503（内部服务器错误/服务不可用）。这是苹果基础设施的临时故障。在这种情况下，请以1–5秒的延迟重试发送，最多尝试3次。在服务器完全正常工作的情况下，持续的5xx错误很少见，通常与TLS连接问题有关。

对于生产环境，务必实现所有APNS错误的日志记录，包括令牌、错误代码和时间。这将有助于快速发现证书、配额或特定设备令牌的问题。如果使用基于证书的身份验证，请定期检查证书的有效期。