使用 Azure Notification Hubs 建立面向數百萬裝置的推播服務

微軟 microsoft cloud open 雲端鐵人賽開放 azure 開源

hungys

2014-10-27 22:29:12

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網誌好讀版：http://hungys.logdown.com/posts/240029-azure-notification-hubs-overview

前言

在上一篇文章中，我們與讀者介紹了 Azure Mobile Services 這個提供全面性 App 後端的服務，而其中它支援了多平台的推播通知，然而，某些情形之下，這樣的服務可能還無法滿足需求。設想今天您的用戶數已經突破數百萬甚至上千萬，當需要將某則訊息廣播至所有裝置時，若一次 reuqest 只傳送給一個終端裝置的話，代表得要花上數百數千萬的 reuqest 才能完成，想必會相當耗時。

那就來自幹吧！

這時熱血的開發者一定會跳出來說，那我們就來自幹一個推播系統吧！如果要應付這樣的需求，首先要解決的便是盡可能地在單次 request 中將訊息遞送給更多的終端用戶來達到減少總 reuqest 數的目標，關於這點每個平台會有不同的作法及策略：

Android：根據 Google 官方在 GCM 說明文件上「Send Multicast Messages Efficiently」這個主題的說明，每次向 GCM 的請求中，registration_ids 這個陣列最多可以填入 1000 個終端裝置的註冊 ID，如此一來便可以將 request 數量降低為原本的 1/1000，即便時間不會是線性的節省，但勢必對整體時間的減少有所助益。
iOS：根據 Apple 官方在 APNS 說明文件中的敘述，若要透過 APNS 傳送推播必須建立一條 TCP streaming socket 來傳送 binary data，並將多個通知包在同一個 Frame 來傳送，也能很快速的來傳送推播訊息。
Windows Phone：WP 平台的話就比較抱歉了，目前官方「公開」的文件指出，因為每一個裝置的推播端點都是一個 URL，所以您要向某個裝置推送訊息的話便要直接對該 URL 送 request，如此一來便沒有在單一 request 發送給多個接收者的可能性，這點相當不方便。然而不確定 Notification Hubs 本身是如何實作這一塊的，但畢竟是微軟自家的服務，或許有一些沒有明文記載的招數也說不定。

然而，前面所提到的減少 request 次數只是最基本的一步，即便將 request 數量降低至數十萬，要在推送完還是得花上不少時間，所以必須設計好一個堅固的分散式系統來處理這些請求，然而，您可能並非隨時都在大量推送通知，於是便可能會產生運算性能的閒置。

最後一個問題則是錯誤處理，並不是每個通知都能夠成功的發送至裝置端，可能會因為任何因素而發送失敗，甚至是該裝置的 token 已經失效，這部分的處理也必須自己來。綜合以上，除非您的團隊有相當充足的開發人力來處理這些需求，否則使用現有的大量推播服務可能還是比較好的選擇。除了本文要介紹的 Notification Hubs 之外，您亦可以參考如Parse、Urban Airship 這類的服務，與這些服務相比，Notification Hubs 較注重的是建立一個彈性的基礎架構，所以它並不像其他服務有提供較為完整的後端 console 能夠操作。

什麼是 Notification Hubs?

Azure Notification Hubs 主要專注在群組廣播的推播服務上，讓您可以在數秒、數分鐘之內就把一則訊息推送至上百萬的終端裝置。此外，微軟支援了 GCM、APNS 以及自家的 WNS、MPNS 服務，讓您可以透過單一服務來處理各個平台的裝置，甚至在最近一次更新中增加了對百度推播系統的支援。

若您使用了 Notification Hubs，所有與 GCM、APNS、WNS... 等推播系統之間的溝通都可以交給 Azure 來處理，您所需要做的事情只是在 Client 端增加向 Notification Hubs 註冊的請求，並且之後要傳送推播皆透過 Notification Hubs 所提供的端點，剩餘的實作都由微軟官方所負責處理，當然甚至包含了推播過程中所產生的錯誤。

整體來說，Notification Hubs 具有以下幾點特色及功能：

多平台支援：目前已經支援了 Google Android、iOS 及 Windows Phone 自身的推播服務，而針對沒有 Google Play Service 的裝置，也增加了對百度推播的支援。使用 Notification Hubs 後，您便可以透過單一的端點來推送訊息至各種不同的平台。
註冊管理：所有要透過 Notification Hubs 推送的裝置皆須向服務註冊，相關的實作您也不需要擔心，只需要透過單一 API 便能夠完成註冊的程序。若您選擇在 Server 端來處理這些程序的話，在 Client 端的程式碼甚至完全不需要與 Notification Hubs 有任何互動。
多語言支援：您可以使用 .NET、PHP、Java、Node.js 來建構您的服務，當然也提供了 REST API 能夠直接使用，不過目前 .NET SDK 所提供的支援較為完整。
條件式推播：在 Notification Hubs 中，每個裝置在註冊時都會註冊有 tag，它可以是多個，而您在推送通知時，只需使用 tag 來指定便能快速推送訊息至「某群人」的裝置上。
高度彈性：您可以建立訊息通知的樣板，並指定如何轉換成各平台專屬的 payload 格式，如此一來只需要使用單一的格式便能將訊息發佈至多個平台，更可以用來發布多語言的推播通知。

裝置註冊管理

在 Notification Hubs 中，每個終端裝置皆需要向 Azure 註冊，而註冊主要分為兩種實作方式，第一種是直接使用官方提供的 SDK 將註冊程序置入在您的 App 中，該 SDK 會直接透過 REST API 向 Notification Hubs 註冊該裝置如圖所示：

而另一種方法則是將註冊的程序寫在您自己的 Server 後端中，如此一來 App 中僅需透過您自己的 API 端點註冊即可，完全不需與 Notification Hubs 互動。而這種做法最大的好處在於裝置的 tag 是從 Server 端註冊的，所以您可以在使用者沒有打開 App 時來修改他的 tag：

標籤與路由

每個註冊的裝置都可以擁有各自的**「Tag」**，而且可以包含兩個以上的 tag，舉個例來說，您可以為 A 球隊的支持者們註冊一個 teamA 的標籤，B 球隊的支持者們則註冊 teamB，屆時若要推送關於 A 球隊的最新比數，直接向 teamA 這個 tag 推送即可。這個 tag 可以是任意長度小於 120 的字串，您甚至可以為每個使用者 ID 皆註冊一個 tag，如此一來便可以達到針對單一使用者推播的需求，如下圖：

除了單一 tag 之外，您也可以使用**「Tag expression」**來表達所要推送的對象，它可以包含如「&&」、「||」、「!」的邏輯運算子，以下圖為例，您可以使用 (follows_RedSox || follows_Cardinals) && location_Boston 這個 expression 來表達「居住在波士頓，並且追蹤紅襪或紅雀」這群使用者：

標籤的使用可以相當彈性，以筆者的使用方法為例，舉凡 userid:<USER ID>、version:<VERSION>、installAt:<INSTALL DATE> ...等等的 tag 在發送推播時都相當實用，但免費及基本方案有限制最多只能有 3000 種 tag，所以使用方法上便要特別留意。

然而，這項功能也有所限制，如果您只使用了「||」這個 OR 運算子，則最多可以在單一 expression 中包含 20 個 tag，除了這個 case 之外，混用 AND、OR、NOT 的情況下最多只能包含 6 個不同的 tag，這點必須留意。

樣板

樣板這個功能主要能解決兩個目的，其中第一個是剛剛有提到過的使用單一 payload 格式來對應多種平台，以下圖為例，Windows Phone 裝置及 Android 裝置分別對樣板做了註冊，其中包含了「message」這個共同參數，未來您在推播時，僅需要給定該參數的值即可對有註冊該樣板的用戶推送：

另一種使用方式則是個人化或本地化的通知，以下圖的例子來說，某些裝置註冊了「華氏」的樣板，某些裝置則註冊了「攝氏」的樣板，屆時您只需要在 payload 中給定「tempF」及「tempC」參數的值，便可自動對應到這兩種樣板，您也可以使用在多國語系通知的實作上：

關於樣板語法的詳細說明可以參考：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/azure/dn530748.aspx

排程通知

在付費方案中，您可以設定排程通知，他會回傳一個 scheduled notification 的 ID，您必須自行儲存這組 ID，未來若要取消排程時會使用到，目前 Management Portal 上也沒有相關的介面能夠管理排程通知，您只能透過 REST API 來存取。

更多關於 API 的細節，請參考：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/azure/dn495101.aspx

多平台支援

目前 Notification Hubs 幾乎支援所有主流平台，並且在官方網站上提供了相對應的文件可以參考：

其中，Windows Phone 比較特別的是本身具有 MPNS 及較新的 WNS 兩種推播平台，目前官方的 Notification Hubs SDK for Windows Phone Silverlight 僅支援 MPNS，所以若您的 App 是 Windows Phone Silverlight 8.1 的專案，而且想要使用較新的 WNS 服務，則不能直接使用官方提供的 SDK，必須透過 REST API 來操作。而筆者為了專案上的需求，所以寫了一個非官方的 SDK 來支援 WNS，但目前僅支援基本功能，並不包括「範本註冊」的支援，相關原始碼皆可在 GitHub 上「Azure Notification Hubs SDK for Silverlight 8.1 using WNS」的專案中找到，歡迎 fork 它並完善它！目前筆者有在實際的專案中使用這個 SDK，相信對於基本的推播需求是能夠正常來使用的！

收費機制

Azure 官方在今年九月份（2014/9）修改了這個服務的收費機制，這點必須要特別注意，因為有用量上及功能上的差別。目前主要分為**「免費」、「基本」、「標準」**三種層級，它們的差異可摘要如下：

免費：包含單月一百萬次的推播量，但不可再付費增加，不限制活躍裝置數，但最多僅可建立 3000 個不同的 tag，並且每次推播時最多只能推向 10000 個裝置，若超過的話則會使用隨機的方法推播。
基本：每月 NT$311 包含一千萬次的推播量，但您可以付費來增加這個限額，與免費方案的最搭差別在於支援了 auto-scaling。
標準：每月 NT$6206 包含一千萬次的推播量，對於標籤數量及單次廣播對象數量皆無上限，並且支援排成推播，可以查詢註冊裝置...等功能，詳細差異可以參考官方網站。

然而，與 Amazon 的 Simple Notification Service (SNS) 相比，SNS 本身是 topic/subscribe 的概念，但與 Notification Hubs 的 tag 機制正好相反，topic 必須是在 SNS 上事先建立好才能由裝置註冊，而且即便是付費方案仍有單一 topic 的裝置數上線。筆者曾經比較過這兩個服務，基本上 Notification Hubs 能夠符合較多的情境及需求！

後記

本文簡單的介紹了 Notification Hubs 這項服務，筆者認為這是一個非常值得嘗試的服務，而且免費方案提供了滿充足的基本推播量。無奈比較可惜的是，最新的收費機制雖然對免費方案提供了更龐大的推播量，但相對的卻拔除了一些進階功能如排程推播、註冊查詢的功能，並且限制了單次廣播的裝置數上線，但低價方案與標準方案之間的價差甚大，希望官方未來能增加更多彈性的資費方案。