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移动 APP 网络优化概述「app怎么做优化」

作者:河南郑州网络推广 日期:2019-08-28 点击:199
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移动 APP 网络优化概述「app怎么做优化」

一般开发一个 APP,会直接调用系统提供的网络请求接口去服务端请求数据,再针对返回的数据进行一些处

理,或者使用AFNetworking/OKHttp这样的网络库,管理好请求线程和队列,再自动做一些数据解析,就结束

了。


但对于一些大型 APP,还会想针对网络的一些问题进行进一步优化,包括:


速度:网络请求的速度怎样能进一步提升?


弱网:移动端网络环境随时变化,经常出现网络连接很不稳定可用性差的情况,怎样在这种情况下最大限度

最快地成功请求?


安全:怎样防止被第三方窃听/篡改或冒充,防止运营商劫持,同时又不影响性能?


对基于浏览器的前端开发来说,网络这块能做的事情很少,但对于客户端 APP 来说,整个网络请求过程是

自由控制的,可以做很多事情,很多大型 APP 都针对这三个问题做了很多网络层的优化,一些新的网络层

协议像 HTTP2 / QUIC 也是在这些方面进行了不少优化,在这里边学习边整理,大致列举一下常见的做法。


速度


正常一条网络请求需要经过的流程是这样:


DNS 解析,请求DNS服务器,获取域名对应的 IP 地址。


与服务端建立连接,包括 tcp 三次握手,安全协议同步流程。


连接建立完成,发送和接收数据,解码数据。


这里有明显的三个优化点:


直接使用 IP 地址,去除 DNS 解析步骤。


不要每次请求都重新建立连接,复用连接或一直使用同一条连接(长连接)。


压缩数据,减小传输的数据大小。

逐条来看能做什么。


1.DNS


DNS 完整的解析流程很长,会先从本地系统缓存取,若没有就到最近的 DNS 服务器取,若没有再到主域名服

务器取,每一层都有缓存,但为了域名解析的实时性,每一层缓存都有过期时间,这种 DNS 解析机制有几个

缺点:


缓存时间设置得长,域名更新不及时,设置得短,大量 DNS 解析请求影响请求速度。


域名劫持,容易被中间人攻击,或被运营商劫持,把域名解析到第三方 IP 地址,据统计劫持率会达到7%。


DNS 解析过程不受控制,无法保证解析到最快的IP


一次请求只能解析一个域名。


为了解决这些问题,就有了 HTTPDNS,原理很简单,就是自己做域名解析的工作,通过 HTTP 请求后台去拿

到域名对应的 IP 地址,直接解决上述所有问题:


域名解析与请求分离,所有请求都直接用IP地址,无需 DNS 解析,APP 定时请求 HTTPDNS 服务器更新IP地

址即可。


通过签名等方式,保证 HTTPDNS 请求的安全,避免被劫持。


DNS 解析由自己控制,可以确保根据用户所在地返回就近的 IP 地址,或根据客户端测速结果使用速度最快


的 IP。


一次请求可以解析多个域名。


其余细节就不多说了,HTTPDNS 优点这么多,几乎成为中大型 APP 的标配。至此解决了第一个问题 — DNS

 解析耗时的问题,顺便把一部分安全问题 — DNS 劫持也解决了。


2.连接


第二个问题,连接建立耗时的问题,这里主要的优化思路是复用连接,不用每次请求都重新建立连接,如何

更有效率地复用连接,可以说是网络请求速度优化里最主要的点了,并且这里的优化仍在演进过程中,值得

了解下。


keep-alive


HTTP 协议里有个 keep-alive,HTTP1.1默认开启,一定程度上缓解了每次请求都要进行TCP三次握手建立连

接的耗时。原理是请求完成后不立即释放连接,而是放入连接池中,若这时有另一个请求要发出,请求的域

名和端口是一样的,就直接拿出连接池中的连接进行发送和接收数据,少了建立连接的耗时。


实际上现在无论是客户端还是浏览器都默认开启了keep-alive,对同个域名不会再有每发一个请求就进行一

次建连的情况,纯短连接已经不存在了。但有个问题,就是这个 keep-alive 的连接一次只能发送接收一个

请求,在上一个请求处理完成之前,无法接受新的请求。若同时发起多个请求,就有两种情况:


若串行发送请求,可以一直复用一个连接,但速度很慢,每个请求都要等待上个请求完成再进行发送。


若并行发送这些请求,那么首次每个请求都要进行tcp三次握手建立新的连接,虽然第二次可以复用连接池

里这堆连接,但若连接池里保持的连接过多,对服务端资源产生较大浪费,若限制了保持的连接数,并行请

求里超出的连接仍每次要建连。


对这个问题,新一代协议 HTTP2 提出了多路复用去解决。


多路复用


HTTP2 的多路复用机制一样是复用连接,但它复用的这条连接支持同时处理多条请求,所有请求都可以并发

在这条连接上进行,也就解决了上面说的并发请求需要建立多条连接带来的问题,网络上有张图可以较形象

地表现这个过程:


HTTP1.1的协议里,在一个连接里传送数据都是串行顺序传送的,必须等上一个请求全部处理完后,下一个请

求才能进行处理,导致这些请求期间这条连接并不是满带宽传输的,即使是HTTP1.1的pipelining可以同时发

送多个request,但response仍是按请求的顺序串行返回,只要其中一个请求的response稍微大一点或发生错

误,就会阻塞住后面的请求。


HTTP2 这里的多路复用协议解决了这些问题,它把在连接里传输的数据都封装成一个个stream,每个stream

都有标识,stream的发送和接收可以是乱序的,不依赖顺序,也就不会有阻塞的问题,接收端可以根据stream

的标识去区分属于哪个请求,再进行数据拼接,得到最终数据。


解释下多路复用这个词,多路可以认为是多个连接,多个操作,复用就是字面上的意思,复用一条连接或一个

线程。HTTP2这里是连接的多路复用,网络相关的还有一个I/O的多路复用(select/epoll),指通过事件驱动的

方式让多个网络请求返回的数据在同一条线程里完成读写。

客户端来说,iOS9 以上 NSURLSession 原生支持 HTTP2,只要服务端也支持就可以直接使用,Android 的 

okhttp3 以上也支持了 HTTP2,国内一些大型 APP 会自建网络层,支持 HTTP2 的多路复用,避免系统的限

制以及根据自身业务需要增加一些特性,例如微信的开源网络库 mars,做到一条长连接处理微信上的大部分

请求,多路复用的特性上基本跟 HTTP2 一致。


TCP队头阻塞


HTTP2 的多路复用看起来是完美的解决方案,但还有个问题,就是队头阻塞,这是受限于 TCP 协议,TCP 协

议为了保证数据的可靠性,若传输过程中一个 TCP 包丢失,会等待这个包重传后,才会处理后续的包。HTTP2

的多路复用让所有请求都在同一条连接进行,中间有一个包丢失,就会阻塞等待重传,所有请求也就被阻塞

了。


对于这个问题不改变 TCP 协议就无法优化,但 TCP 协议依赖操作系统实现以及部分硬件的定制,改进缓慢,

于是 GOOGLE 提出 QUIC 协议,相当于在 UDP 协议之上再定义一套可靠传输协议,解决 TCP 的一些缺陷,包

括队头阻塞。具体解决原理网上资料较多,可以看看。


QUIC 处于起步阶段,少有客户端接入,QUIC 协议相对于 HTTP2 最大的优势是对TCP队头阻塞的解决,其他的

像安全握手 0RTT / 证书压缩等优化 TLS1.3 已跟进,可以用于 HTTP2,并不是独有特性。TCP 队头阻塞在 

HTTP2 上对性能的影响有多大,在速度上 QUIC 能带来多大提升待研究。


3.数据


第三个问题,传输数据大小的问题。数据对请求速度的影响分两方面,一是压缩率,二是解压序列化反序列

化的速度。目前最流行的两种数据格式是 json 和 protobuf,json 是字符串,protobuf 是二进制,即使用

各种压缩算法压缩后,protobuf 仍会比 json 小,数据量上 protobuf 有优势,序列化速度 protobuf 也有

一些优势,这两者的对比就不细说了。


压缩算法多种多样,也在不断演进,最新出的 Brotli 和Z-standard实现了更高的压缩率,Z-standard 可以

根据业务数据样本训练出适合的字典,进一步提高压缩率,目前压缩率表现最好的算法。

除了传输的 body 数据,每个请求 HTTP 协议头的数据也是不可忽视,HTTP2 里对 HTTP 协议头也进行了压

缩,HTTP 头大多是重复数据,固定的字段如 method 可以用静态字典,不固定但多个请求重复的字段例如 

cookie 用动态字典,可以达到非常高的压缩率,这里有详细介绍。


通过 HTTPDNS,连接多路复用,更好的数据压缩算法,可以把网络请求的速度优化到较不错的程度了,接下

来再看看弱网和安全上可以做的事情。

弱网


手机无线网络环境不稳定,针对弱网的优化,微信有较多实践和分享,包括:


提升连接成功率


复合连接,建立连接时,阶梯式并发连接,其中一条连通后其他连接都关闭。这个方案结合串行和并发的优

势,提高弱网下的连接成功率,同时又不会增加服务器资源消耗:


制定最合适的超时时间


对总读写超时(从请求到响应的超时)、首包超时、包包超时(两个数据段之间的超时)时间制定不同的计算方

案,加快对超时的判断,减少等待时间,尽早重试。这里的超时时间还可以根据网络状态动态设定。


调优TCP参数,使用TCP优化算法。


对服务端的TCP协议参数进行调优,以及开启各种优化算法,使得适合业务特性和移动端网络环境,包括RTO

初始值,混合慢启动,TLP,F-RTO等。


针对弱网的这些细致优化未成为标准,系统网络库没有内置,不过前两个客户端优化微信的开源网络库 mars 

有实现,若有需要可以使用。


安全


标准协议 TLS 保证了网络传输的安全,前身是 SSL,不断在演进,目前最新是 TLS1.3。常见的 HTTPS 就是

 HTTP 协议加上 TLS 安全协议。


安全协议概括性地说解决两个问题:1.保证安全 2. 降低加密成本


在保证安全上:


使用加密算法组合对传输数据加密,避免被窃听和篡改。


认证对方身份,避免被第三方冒充。


加密算法保持灵活可更新,防止定死算法被破解后无法更换,禁用已被破解的算法。


降低加密成本上:


用对称加密算法加密传输数据,解决非对称加密算法的性能低以及长度限制问题。


缓存安全协议握手后的密钥等数据,加快第二次建连的速度。


加快握手过程:2RTT-> 0RTT。加快握手的思路,就是原本客户端和服务端需要协商使用什么算法后才能加密

发送数据,变成通过内置的公钥和默认的算法,在握手的同时就把数据发出去,也就是不需要等待握手就开

始发送数据,达到0RTT。



这些点涉及的细节非常多,对 TLS 的介绍有一篇雄文,说得很详细,在此推荐。


目前基本主流都支持 TLS1.2,iOS 网络库默认使用 TLS1.2,Android4.4 以上支持 1.2。TLS1.3 iOS 还处

于测试阶段,Android 未查到消息。对于普通 APP,只要正确配置证书,TLS1.2 已经能保证传输安全,只是

在建连速度上会有所损耗,有一些大型 APP 像微信就自行实现了 TLS1.3 的部分协议,早一步全平台支持。


最后


网络优化这个话题非常庞大,本文只是在学习过程中从优化思路上列举了目前业界常见的优化点,还有很多

细节很多更深入的优化没涉及到,网络层实践开发经验不足,若有错误欢迎指出。




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