消息推送实现技术研究

关键词：消息推送；实时消息传递；通信协议；推送系统架构；技术方案

0 引言

随着移动互联网和物联网的快速发展，消息推送技术作为实现大量信息实时传递的关键技术之一，在各种应用场景中发挥着重要的作用。从移动应用的消息通知，到电商平台的促销信息推送，再到工业物联网设备的实时状态监控，消息推送技术为社会和人民的生活提供了方便快捷的信息传输。

然而，随着应用场景的不断扩展和用户需求的不断提高，消息推送技术也面临着新的挑战。例如，如何确保在海量用户并发访问的情况下，消息推送依然能够保持高并发、低延迟和高可靠性，如何保障消息传输过程中的安全性和用户隐私等。

本文旨在对消息推送实现技术进行深入研究，分析不同技术方案的优缺点，并探讨其适用场景。文章首先介绍消息推送的基本概念和典型应用场景，然后分别从基本通信技术、实现方式、协议和实现技术等方面进行详细分析，最后总结全文并展望未来发展趋势。

1 消息推送概述

消息推送是软件系统中重要功能，由服务器主动且高效发送大量消息到用户[1]，在具体实现时对所使用的技术有较高的要求。推送功能有多种实现方式，作为软件中的一个模块、作为中间件或者独立的跨平台推送系统，常见的推送有Web推送和手机App推送等。Web推送是网站后台对用户需求和行为偏好进行分析，生成推送内容推送到浏览器，手机App推送是把信息推送到App内或者手机通知栏。

推送的形式多样化、内容精准化和智能化是现在的主要趋势[2-4]，如何使消息推送简便易行且高效，更好的被用户的关注，和系统所采用的推送方式以及推送内容有关，设计方案着重提高推送精准性、运行效率和响应速率[5]。

2 基本通信技术

消息推送将消息主动推送到客户端，由于推送频率差别较大，采用不同的基本通信技术，常用的有基于TCP的轮询、长连接和SMS短消息等。轮询是由客户端定时发起请求，服务器接受请求后返回消息，或者根据需求由服务器推送，网络占用较少。长连接在客户端和服务器之间保持连接来发送消息，提供消息发送的高可靠性。长连接经TCP三次握手建立，过程如图1所示，客户端首先发送请求SYN到服务器；服务器回复响应SYN和ACK到客户端，表示接受请求建立连接；客户端再发送ACK到服务器，表示确认连接的建立。SMS短消息是基于短信的推送方式，内容主要是文本，用户访问率高但成本高。

3 实现方式

常见的消息推送实现方式有：基于AJAX的短轮询和长轮询、SSE（Server-Sent Events） 、WebSocket 和FCM（Firebase Cloud Messaging） 。短轮询和长轮询是基于HTTP通过轮询建立连接，长轮询保持连接，而短轮询不保持连接。SSE（Server-Sent Events） 建立从服务器到客户端的流，通过事件驱动完成推送的过程。WebSocket在服务器和客户端之间建立长期的连接，可以进行复杂的数据交互。FCM（Firebase Cloud Mes⁃saging） 是谷歌提供的消息发送服务，服务器通过FCM 的API发送消息到客户端。

3.1 基于AJAX 的短轮询和长轮询

短轮询是一种简单的消息推送方式，客户端定时向服务器发送请求，服务器接收到请求后立即返回响应信息。短轮询的结构简单，易于实现，但实时性较差，且服务器负载较大，适用于客户端数量少、消息频率低的场景。

长轮询在服务器端保持连接并挂起，直到有数据需要发送时才返回响应，客户端接收到响应后立即再次发起请求，从而实现消息的准实时推送。相较于短轮询，长轮询能够有效降低服务器负载，提高消息推送的实时性，但实现较为复杂。

3.2 SSE（Server-Sent Events）

SSE是服务器推送技术，通过长连接在客户端和服务器之间建立stream流，多次发送数据。服务器使用事件流发送数据到客户端，客户端通过HTTP连接监听事件流，接收服务器所推送的数据。SSE采用单向数据流，从服务器发送到客户端，可以传输文本和二进制数据；数据传输过程如图2所示。客户端设定请求的事件流类型，向服务器发送请求，服务器接收请求，返回的响应中设置事件的媒体类型、编码和分块传输等，服务器更新数据时将多个事件发送到客户端；客户端创建EventSource 对象，打开连接并通过onopen事件等完成消息接收。SSE实现更简单，兼容性更好，适用于从服务器向客户端推送数据。

3.3 WebSocket

WebSocket是建立在TCP连接上的全双工通信，使用长连接发送数据，实时性较好，常用于聊天软件、协作型软件、实时推送系统以及在线游戏等。在Web 网站上使用时，浏览器设置协议为WebSocket，向服务器发送HTTP请求，服务器解析请求生成数据返回到浏览器，并在服务器和浏览器之间建立WebSocket连接。WebSocket提供事件、方法、状态码等用于消息传递；采用心跳包检查连接状态；连接断开时自动重连；支持海量并发和大负载；能高效使用带宽；性能较好，实时性方面具有优势。

3.4 FCM（Google Cloud Messaging）

Google的FCM（Google Cloud Messaging） 是谷歌云消息，可以在APPLE、Android 和Web 网站上发送消息，提供客户端和服务器端的组件。消息经服务器传输至FCM后端，打包成为元数据，再经传输层传送到客户端。FCM提供单终端、成组终端或者订阅模式三种方式传送消息，具备跨平台性和可靠性。

4 推送协议

消息推送常用的IM（即时消息）协议有XMPP（可扩展消息与存在协议）、MQTT（消息队列遥测传输协议）和SIP（会话初始协议）。

4.1 XMPP（可扩展消息与存在协议）

XMPP协议是一种流协议，使用TCP分片段传送XML，包含三种基本组成：客户端、服务器和网关，采用C/S架构进行异构的实时通信。服务器提供数据存储、连接的管理和信息路由功能，监听处理与客户端的连接，还可以与其他XMPP服务器通信。网关负责异构系统之间的互联，其中包含了多种协议转换，可以和其他各种类型的IM（即时消息）系统互联互通。客户端采用简单模式连接服务器，交换XML信息并进行解析，复杂处理由服务器进行。

4.2 SIP（会话初始协议）

SIP属于多媒体通信协议，运行在网络应用层上，使用范围广泛，在IP网络中支持语音和视频通话，也用于IM（即时消息系统）的消息推送。SIP协议采用C/S模式，基本功能有用户定位与判定、会话建立和管理等。SIP协议包含请求和响应的相关内容，提供了多种请求的消息，包括INVITE、ACK、BYE等，通过一组状态码定义会话过程中的不同状态。SIP协议作为文本协议，使用UDP或者TCP传输，对会话过程的步骤进行了明确的规定，使会话的建立、修改和终止在不同的终端之间方便进行。

4.3 MQTT（消息队列遥测传输协议）

MQTT 是基于发布/订阅模式的物联网协议，在TCP/IP协议上实现远程实时消息服务，用于物联网、移动应用等，能降低通信时使用的网络带宽并减少占用的设备资源。MQTT 协议提供三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）和订阅者（Subscribe），发布者和订阅者都是客户端，代理是服务器。MQTT协议传输的消息有主题（Topic）和负载（payload）两种，主题供订阅者订阅，负载是订阅主题后收到的内容。MQTT协议传输的数据包有固定头（Fixed header）、可变头（Vari⁃able header）和消息体（payload）三部分，固定头中有数据包类型和数据包标识，可变头在固定头和消息体之间，内容和报文类型有关，消息体中有消息的内容和客户相关信息。MQTT构建底层网络传输，建立客户端到服务器的连接，是基于字节流的双向传输。

4.4 推送协议的适用范围和特点

XMPP在即时通信系统中应用广泛，基于XML进行消息传送，提供点对点和多点通信，采用单向连接方式，由客户端向服务器发起连接，消息在客户端之间传输时采用转发方式。XMPP在推送方面支持较成熟，有开源的服务器和开发框架可用，在Java平台实现良好，开发简便，跨平台方面一般。XMPP所传输的消息内容丰富，消息解析便利，有利于复杂交互，提供各种各样的消息业务模式，如留言、群发、群聊、状态更新等，使用时服务器负荷较重。

MQTT采用发布订阅模式，使用代理转发消息，所传输的消息较轻，可靠性较强，物联网中使用较多，消息分发高效。MQTT在网络较差时也能有效传输，具有低延时且低消耗的特点；在即时通信中用于消息推送，但推送系统使用MQTT实现较复杂。

SIP在VoIP（语音通话技术）中的进行会话管理，用于即时通信时使用其扩展协议SIMPLE，提供连接的建立与维护，对于消息内容本身关注较少。传输的消息主要是基于文本的，消息体处理方面较弱，须编写专门的代码，对大数据量的语音、视频和文件的传输较便捷。

5 消息推送的实现技术

根据所使用的平台，消息类型和发送频率以及设备数量，选择消息推送的实现技术，跨平台的使用整合推送方案。除了各平台提供的适合消息推送的开发技术，手机厂家有自己的推送软件，IT行业厂商提供专业推送系统，物联网也有多种实现技术，以下是常用的几种。

5.1 AndroidPN

Android平台上的开源AndroidPN，为App提供推送各种类型消息的功能，它是基于XMPP协议，采用服务器和客户端模式实现。AndroidPN的主要组成部分是Asmack库和Mina库，Asmack库提供服务器通信功能，Mina库是使用NIO开发的网络通信框架。

AndroidPN的消息推送模式如图3所示，客户端使用Asmack库，发起连接后发送数据到服务器；服务器使用Mina库接收连接，然后发送返回的数据；连接建立后通过IOsession进行管理会话，业务逻辑处理由IOHandler实现。AndroidPN在客户端提供4个主要功能：身份验证、监听网络变化、监听手机网络状态和监听推送消息。客户端使用Socket连接服务器，生成用户id、账号和密码等信息，建立消息监听，接收到消息过滤后调用回调。客户端把要发送的消息封装成Packet数据包放到队列中，队列中的Packet数据包被读取后转成XML格式，通过PacketWriter发送。服务器端可以用openfire实现，包含两个部分，一部分是响应用户请求的Web服务器，还有一部分是服务器端的XMPP消息服务，在经过身份验证后和客户端建立长连接收发消息。服务器端的核心功能有会话管理、用户认证、用户登录状态维护和消息推送等。An⁃droidPN实现了事件驱动的异步网络API，注重消息发送的性能和功能扩展。

5.2 IBM WebSphere MQ Telemetry

IBM WebSphere MQ Telemetry 常用于物联网，提供基于WebSocket和MQTT协议的跨平台推送服务，在低带宽的环境中以低功耗完成消息传递，同时加强数据安全与数据监测。WebSphere MQ Telemetry提供WebSphere MQ作为服务器，客户端采用JavaScript编写的API，在任何设备上均可使用。连接由MQTT客户端向服务器发起；建立后发送心跳包维持连接；接着发送订阅消息来订阅某一主题；订阅确认后接收该主题的系列消息。消息推送由消息发布者客户端将业务数据封装到消息体中，以主题方式发布消息，再传送到订阅者客户端中。