前言

很多时候，原生应用会通过一些消息推送来唤起用户的关注，增加驻留率。网页该怎么做呢？有没有类似原生应用的推送机制？推送功能又能玩出什么花样呢？

Push API

Push API 给与了 Web 应用程序接收从服务器发出的推送消息的能力，无论 Web 应用程序是否在用户设备前台，甚至刚加载完成。这样，开发人员就可以向用户投放异步通知和更新，从而让用户能更及时地获取新内容。

对 Web 应用来说，要想使用推送，必须在应用下的 ServiceWorker 处于激活状态，在 ServiceWorkerRegistration scope 下的 PushManager 来做推送订阅相关工作。

在 ServiceWorkerGlobalScope scope 下通过 onpush 来监听推送事件。

激活一个 service worker 来提供推送消息会导致资源消耗的增加，尤其是电池。不同的浏览器对此有不同的方案——目前为止还没有标准的机制。Firefox 允许对发送给应用的推送消息做数量限制（配额）。该限制会在站点每一次被访问之后刷新。相比之下，Chrome 选择不做限制，但要求站点在每一次消息到达后都显示通知，这样可以让用户确认他们仍希望接收消息并确保用户可见性。

接口

Push 的相关接口：

PushManager
PushEvent
PushMessageData
PushSubscription
PushSubscriptionOptions

PushManager

PushManager 接口用于操作推送订阅。

通过 ServiceWorkerRegistration.PushManager获取。

方法：

subscribe()

用于订阅推送服务。

返回一个 Promise 形式的 PushSubscription 对象，该对象包含了推送订阅详情。如果当前 service worker 没有已存在的订阅，则会创建一个新的推送订阅。

语法：

PushManager.subscribe(options).then(function(pushSubscription) { ... } );

参数：

options：

userVisibleOnly：布尔值，表示返回的推送订阅将只能被用于对用户可见的消息。在订阅时必须把此项设置为 true，这样当有消息推送给用户时，浏览器会展示一个消息通知，也就是说不存在静默推送。为了让用户可知。
applicationServerKey：推送服务器用来向客户端应用发送消息的公钥。该值是应用程序服务器生成的签名密钥对的一部分，可使用在 P-256 曲线上实现的椭圆曲线数字签名（ECDSA）。这里使用的是 VAPID 协议，VAPID 是 Voluntary Application Server Identification （自主应用服务器标识）的简称。所以需要将 Base64 的公钥转为 Uint8 的数组。

触发推送时，浏览器的表现：

Base64 转 Uint8

function base64UrlToUint8Array(base64UrlData) {
  const padding = '='.repeat((4 - base64UrlData.length % 4) % 4);
  const base64 = (base64UrlData + padding)
    .replace(/\-/g, '+')
    .replace(/_/g, '/');

  const rawData = window.atob(base64);
  const buffer = new Uint8Array(rawData.length);

  for (let i = 0; i < rawData.length; ++i) {
    buffer[i] = rawData.charCodeAt(i);
  }
  return buffer;
}

getSubscription()

用于获取订阅对象 PushSubscription。

它返回一个 Promise 用来处理一个包含已经发布的分支的细节的PushSubscription 对象。如果没有已经发布的分支存在，返回null。

语法：

PushManager.getSubscription().then(function(pushSubscription) { ... } );

permissionState()

用于获取 PushManager 的权限状态。

语法：

PushManager.permissionState(options).then(function(PushMessagingState) { ... });

参数：

options:

userVisibleOnly
applicationServerKey

返回 Promise，如下值：

granted：WEB 应用已授权 Push 权限。
denied：WEB 应用已拒绝 Push 权限。
prompt：WEB 应用未授权 Push 权限。

如下使用：

ServiceWorkerRegistration.pushManager.permissionState({userVisibleOnly: true})

PushEvent

Push API 接收消息时的事件。此事件在 ServiceWorkerGlobalScope 下响应。

属性

data：返回对 PushMessageData 类型，包含发送到的数据的对象。

PushMessageData

此接口为 PushEvent.data 中的类型。

与 Fetch 中 Body 的方法相似，不同处再于可以重复调用。

方法

arrayBuffer()
blob()
json()
text()

PushSubscription

PushSubscription 为 PushManager.subscribe() 的订阅信息类型。

属性

endpoint：包含订阅相关的推送服务器的信息。以 URL 形式展示。最好对于这个 URL 安全，防止被其他人劫持它并滥用推送功能。
expirationTime：返回与推送订阅关联的订阅到期时间（如果有），否则返回null。
options：PushSubscriptionOptions 类型，订阅时的 options 信息，包含：
- applicationServerKey
- userVisibleOnly

方法

getKey()

用于获取 PushSubscription 中订阅的公钥信息，返回 ArrayBuffer。

语法：

var key = subscription.getKey(name);

参数：

name：

p256dh：P-256曲线上的椭圆曲线Diffie-Hellman公钥（即NIST secp256r1椭圆曲线）。生成的密钥是ANSI X9.62格式的未压缩点。
auth：身份验证密钥，Web推送的加密描述。

toJSON()

序列化 PushSubscription 对象，用于存储和发送给应用服务器。

subscription.toJSON()

返回如下结构：

{
	endpoint: "https://fcm.googleapis.com/fcm/send/xxx:zzzzzzzzz"
	expirationTime: null
	keys: {
		auth: "xxxx-zzzz"
		p256dh: "BasdfasdfasdfasdffsdafasdfFMRs"
	}
}

unsubscribe()

用于取消订阅推送服务。

语法：

PushSubscription.unsubscribe().then(function(Boolean) { ... });

返回 Promise 的 Boolean。如果 true，则退订成功。

接口间的关系

相关属性、方法：

Push 相关事件

Push API 通过下面的 serviceWorker 事件来监控并响应推送和订阅更改事件。

onpush

当 ServiceWorker 收到 Push-Server 推送的消息时，就会触发 ServiceWorkerGlobalScope 接口的 onpush 事件。

语法：

ServiceWorkerGlobalScope.onpush = function(PushEvent) { ... }
self.addEventListener('push', function(PushEvent) { ... })

通过 PushEvent.data 来获取 PushMessageData 类型的推送消息中的数据。

onpushsubscriptionchange

当订阅信息发生改变时，会触发 ServiceWorkerGlobalScope 接口的 onpushsubscriptionchange 事件，例如：如果推送服务器设置了订阅到期时间，则可能会触发此事件。（正常订阅/退订时不会触发此事件）

发生此事件时，通常需要重新订阅推送服务器，并把新的订阅体发送给应用服务器。

语法：

ServiceWorkerGlobalScope.onpushsubscriptionchange = function() { ... }
self.addEventListener('pushsubscriptionchange', function() { ... })

订阅原理

浏览器端订阅：

浏览器端在订阅 Push Server 时，必须 Notification 是授权的，否则会出现授权窗口，这里的授权交互和 Notification 的授权是一样的。

注意：Notificatino 的授权状态手动调整改变后，订阅体将失效，需要重新订阅。

注意：目前大部分国内网络环境无法访问 Chrome 的 FCM 推送服务器，所以在不出海的网络环境下浏览器无法完成订阅。FireFox 的推送服务器不存在此问题，所以可以在 FireFox 下测试此功能。

// 浏览器订阅
navigator.serviceWorker.ready.then(swReg => {
  swReg.pushManager.subscribe({
      userVisibleOnly: true,
      applicationServerKey: urlB64ToUint8Array(
        "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
      )
	}).then(pushSubscription => {
    // 将订阅信息发送到你的应用服务器
    fetch("https://你的应用服务器", {
      method: "post",
      body: JSON.stringify(pushSubscription.toJSON())
    });
  }).catch(e => {
    console.log('订阅失败', e)
    console.log('授权状态：' + await self.registration.pushManager.permissionState({userVisibleOnly:true}))
  });
});

关于推送请求问题，需要使用 VAPID 协议。

订阅时applicationServerKey 使用 VAPID 公钥作为识别标示，规范中要求公钥需要 UInt8 类型，所以订阅前要进行类型转换。

应用服务器端发送：

应用服务器从数据库里取出你的订阅信息，然后根据 Web Push 协议要求，对要发送的消息进行拼装和加密，然后发送给相应的 Push 服务器，然后 Push 服务器再根据订阅信息中的标志发送给相应的终端。

设备端接收：

浏览器端收到推送消息后，会激活相应的 ServiceWorker 线程，并触发 Push 事件。

例如收到消息后，展示一个 Notification，或者做任何其他的事：

// serviceWorker 环境下
self.addEventListener("push", function(event) {
  // 此处可以做任何事
  console.log("push", event);
  
  var data = event.data.json();
  	
  if (!(self.Notification && self.Notification.permission === "granted")) {
    return;
  }
  self.registration.showNotification(data.title, {
    body: data.body
  });
});

详细执行过程

加密认证

浏览器订阅

在 subscribe() 方法中的 applicationServerKey 选项用于推送服务器鉴别订阅用户的应用服务，并用确保推送消息发送给哪个订阅用户。

applicationServerKey 是一对公私钥。私钥应用服务器保存，公钥交给浏览器，浏览器订阅时将这个公钥传给推送服务器，这样推送服务器可以将你的公钥和用户的 PushSubscription 绑定。

你的服务器发送

当你的服务器要发送推送消息时，需要创建一个 Authorization 的 header 头，Authorization 由规范要求的加密算法进行私钥加密。推送消息收到消息时，首先取消息请求中 endpoint 对应的公钥，解码消息请求中签名过的 Authorization header 头，验证签名是否合法，防止它人伪造身份。通过后，推送服务器把消息发送到相应的设备浏览器。

注：这里说的 applicationServerKey 就是 VAPID key。

Authorization 的签名采用 JWT（JSON web token），JWT 是一种向第三方发送消息的方式，三方收到后，获取发送者的公钥进行验证 JWT 的签名。

JWT 结构：

JWT 信息和 JWT 数据需要使用 base64 编码，所以内容是公开的。

JWT 信息部分必须包含：

{  
  "typ": "JWT",  
  "alg": "ES256"  
}

说明此签名用的哪种算法。

JWT 数据部分，提供有关 JWT 的发送者、目标用户及有效时间等信息。

{  
  "aud": "https://xxx.push-server.com",
  "exp": "1469632224",
  "sub": "mailto:xxx@contact.com"  
}

aud：推送服务器的地址。
exp：签名过期时间，单位秒，必须不大于 24 小时。
sub：必须是 URL 或者邮箱地址。用于推送服务器联系发送人。

JWT 签名部分，是取 JWT 信息部分和 JWT 数据部分的字符串拼接结果，中间用.连接，生成未签名的令牌，然后进行签名生成的。

签名是基于应用服务器生成的 VAPID 私钥进行加密的，nodejs 可以使用 jws 库来签名：

const jws = require('jws');
const asn1 = require('asn1.js');

const header = {
  typ: 'JWT',
  alg: 'ES256'
};

const jwtPayload = {
  aud: audience,
  exp: expiration,
  sub: subject
};

const jwt = jws.sign({
  header: header,
  payload: jwtPayload,
  privateKey: toPEM(privateKey)
});

function toPEM(key) {
  return asn1
    .define("ECPrivateKey", function() {
      this.seq().obj(
        this.key("version").int(),
        this.key("privateKey").octstr(),
        this.key("parameters")
          .explicit(0)
          .objid()
          .optional(),
        this.key("publicKey")
          .explicit(1)
          .bitstr()
          .optional()
      );
    })
    .encode(
      {
        version: 1,
        privateKey: key,
        parameters: [1, 2, 840, 10045, 3, 1, 7] // prime256v1
      },
      "pem",
      {
        label: "EC PRIVATE KEY"
      }
    );
}

Authorization 对 JWT 签名的格式要求：

Authorization: 'WebPush <JWT Info>.<JWT Data>.<Signature>'

在签名的前面加上 WebPush 作为 Authorization 头的值发送给推送服务器。

推送协议同时要求Crypto-Key header 头，用来发送公钥，并需要p256ecdsa=前缀，格式：

Crypto-Key: p256ecdsa=<URL Safe Base64 Public Application Server Key>

关于消息部分的加密

发送的消息部分，也就是 payload，为了保证安全性，协议里同样要求需要加密，且推送服务器无法解密，只有浏览器才能解密消息数据。

在浏览器向推送服务器进行订阅后产生的订阅体，在这里就用的上了，再看下结构：

{
	endpoint: "https://fcm.googleapis.com/fcm/send/xxx:zzzzzzzzz"
	expirationTime: null
	keys: {
		auth: "xxxx-zzzz"
		p256dh: "BasdfasdfasdfasdffsdafasdfFMRs"
	}
}

结构中的 keys 字段就是浏览器端的密钥信息，由浏览器生成。

加密需要 auth、p256dh和payload 三个值做为输入进行加密，加密过程比较复杂。

可以看一下，生成的具体要发送给推送服务器的字段，下面是 FCM 的请求：

{
  'hostname': "fcm.googleapis.com",
  'port': null,
  'path':
    "/fcm/send/xxx-xx:APA91bFzxDp-j-xoN_kxqzie3uJS1aSNI5wI4SXL34dLWPFFa3QSZVBOE6eG7b4tb2RIvqUy3d3ww57In2lFsZW5MVsjQRtPFfbKoq9XqqrsTwRZiPDbPcbwZ4vkmv_1lnIHRo5yOxQF",
  'headers': {
    'TTL': 3600,
    "Content-Length": 224,
    "Content-Type": "application/octet-stream",
    "Content-Encoding": "aesgcm",
    'Encryption': "salt=lIiVReih7lcahHxS2UhENA",
    "Crypto-Key":
      "dh=BG9SmS2AixNf9UgRlOr1aEiVQMH5h47cAz0FW-_m9MRiwLqrUUP9DhrbFGXqaHAYh12IyKtvySbnDYNmF3Mh0d0;p256ecdsa=BDTgN25YAAabqE6ANPP49d2EkoLAMxT4xDZxE5BdrCHPyq1zk36LofZ2M3DYosxZzSG7i_26S1ViOGC_rBifW_U",
    'Authorization':
      "WebPush eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJFUzI1NiJ9.eyJhdWQiOiJodHRwczovL2ZjbS5nb29nbGVhcGlzLmNvbSIsImV4cCI6MTU1OTA3ODEwOSwic3ViIjoiaHR0cHM6Ly9kZXZlbG9wZXJzLmdvb2dsZS5jb20vd2ViL2Z1bmRhbWVudGFscy8ifQ.Fa3nW6Lt7cp2dGML71aZItdyIcEabZ4GRVtkQBc3dWavAGH3_xSh0jnT-Cy8vGHJrwwRSRKaOcbt-uniIYt6fA"
  },
  'method': "POST"
};

VAPID key 生成

密钥使用 ECDSA（椭圆曲线迪菲-赫尔曼金钥交换）的 ES256 算法（ECDSA使用 P-256 曲线和 SHA-256 哈希算法的缩写）。

基于 node 实现：

$ npm install -g web-push
$ web-push generate-vapid-keys

基于浏览器 JS 实现:

function generateNewKeys() {
  return crypto.subtle.generateKey({name: 'ECDH', namedCurve: 'P-256'},
    true, ['deriveBits'])
  .then((keys) => {
    return cryptoKeyToUrlBase64(keys.publicKey, keys.privateKey);
  });
}

function cryptoKeyToUrlBase64(publicKey, privateKey) {
  const promises = [];
  promises.push(
    crypto.subtle.exportKey('jwk', publicKey)
    .then((jwk) => {
      const x = base64UrlToUint8Array(jwk.x);
      const y = base64UrlToUint8Array(jwk.y);

      const publicKey = new Uint8Array(65);
      publicKey.set([0x04], 0);
      publicKey.set(x, 1);
      publicKey.set(y, 33);

      return publicKey;
    })
  );

  promises.push(
    crypto.subtle
      .exportKey('jwk', privateKey)
    .then((jwk) => {
      return base64UrlToUint8Array(jwk.d);
    })
  );

  return Promise.all(promises)
  .then((exportedKeys) => {
    return {
      public: uint8ArrayToBase64Url(exportedKeys[0]),
      private: uint8ArrayToBase64Url(exportedKeys[1]),
    };
  });
}

function base64UrlToUint8Array(base64UrlData) {
  const padding = '='.repeat((4 - base64UrlData.length % 4) % 4);
  const base64 = (base64UrlData + padding)
    .replace(/\-/g, '+')
    .replace(/_/g, '/');

  const rawData = window.atob(base64);
  const buffer = new Uint8Array(rawData.length);

  for (let i = 0; i < rawData.length; ++i) {
    buffer[i] = rawData.charCodeAt(i);
  }
  return buffer;
}

function uint8ArrayToBase64Url(uint8Array, start, end) {
  start = start || 0;
  end = end || uint8Array.byteLength;

  const base64 = window.btoa(
    String.fromCharCode.apply(null, uint8Array.subarray(start, end)));
  return base64
    .replace(/\=/g, '') // eslint-disable-line no-useless-escape
    .replace(/\+/g, '-')
    .replace(/\//g, '_');
}

应用服务器端实现

这里用 node 来实现一下应用服务器向推送服务器发送消息。（其他语言环境可以参考 web-push-libs）

const webpush = require("web-push");

const options = {
  vapidDetails: {
    subject: "mail@you.com", // 你的联系邮箱
    publicKey: "公钥",
    privateKey: "私钥"
  },
  TTL: 60 * 60 // 有效时间，单位秒
};

const subscription = db.getUser("xxx"); // 从数据库取用户的订阅对象
const payload = {
  // 要发送的消息
  msg: "hellow"
};

// 发送消息到推送服务器
webpush
  .sendNotification(subscription, payload, options)
  .then(() => {})
  .catch(err => {
    // err.statusCode
  });

基于 web-push-libs 这种封装好的库工具用起来很方便，几行代码就可以实现应用服务器到推送服务器之间的数据请求。

推送服务器的相应状态码

状态码	描述
201	创建，收到并接受发送推送消息的请求
429	请求过多，意味着应用程序服务器已经达到了推送服务的速率限制。推送服务会包括 `Retry-After` 标头，来指示在下一个请求发出之前等多长时间
400	无效的请求，这通常意味着存在无效的 header 或格式不正确
404	未找到，这表示订阅已过期且无法使用。在这种情况下，你应该删除 `PushSubscription` 并等待客户端重新订阅用户
410	被移除，订阅不再有效，应从应用程序服务器中删除。可以通过在 `PushSubscription` 上调用 `unsubscribe()` 来重现
413	有效负载过大，一个推送服务支持的最小的有效负载大小是 4096 bytes （或者 4kb）

常见问题

1. 浏览器关闭可否收到推送？

Android 系统：

Android 系统的消息机制是系统级的，系统有单独的进程去监听推送消息，收到消息就会唤醒对应的应用程序来处理这个推送消息，无论应用是否关闭。所有应用都采用这种处理方式。所以当收到浏览器的推送消息时，会唤醒浏览器，然后浏览器再去激活相应的 ServiceWorker 线程，然后触发推送事件。

MAC 系统：

MAC 系统下当打开应用后，默认关闭应用实际上还在后台运行，可以通过 dock 来查看：

可以看到未完全关闭的应用下面会有一个黑点来标志，在这种情况下，浏览器是可以收到推送消息的。

如果浏览器完全关闭，则当在浏览器打开后，浏览器同样会收到通知消息（TTL 有效时间内）。

Windows 系统：

Windows 系统和 MAC 相似，但判断浏览器是否在后台运行比较复杂。

2. 对于消息推送如何在浏览器上调试查看？

Chrome 环境下，地址栏输入chrome://gcm-internals/，并点击Start Recording按钮进行录制。

通常来说，主要有两方面的问题：

发送消息时的问题：
- 授权问题
- HTTP 状态码错误问题
接收消息时的问题：
- payload 加密问题
- 连接问题

如果通过上述工具解决不了问题，可以提交问题到官方：

Chrome bugs: https://bugs.chromium.org/p/chromium/issues/list
Firefox bugs: https://bugzilla.mozilla.org/home

3. 为什么 Push 比 Web Sockets 好？

Push 是工作在 serviceWorker 线程下的，所以不关系浏览器窗口是否打开。而 Web Sockets 必须保证浏览器和网页处于打开状态才能正常工作。

4. 国内服务器无法与 FCM/GCM 推送服务器通讯，怎么办？

关于这一点，可以在国内服务器对消息通讯的请求上部署代理服务器，如在 node 环境下用 web-push 库可以这么写：

webpush.sendNotification(
	subscription，
	data,
	{
		... options,
		proxy: '代理地址'
	}
)

或者可以基于三方的推送工具来实现，如：onesignal。

工具

推送加密验证工具：地址
Mozilla 推送数据加密测试页：地址
Google Codelab 推送工具：地址
JWT 验证：地址

兼容性

博客名称：王乐平博客

CSDN博客地址：http://blog.csdn.net/lecepin

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