iOS端网络监控思路及实现

一、背景

网络监控主要用于监控应用的网络请求，获取网络请求相关的性能参数，方便开发、测试、产品等人员对应用进行分析。

二、指标

一般监控的指标主要有：成功率、状态码、流量、网络响应时间、HTTP与HTTPS的 DNS 解析、TCP握手、SSL握手（HTTP除外）、首包时间等。

三、思路

iOS中常见的网络请求

苹果官方：

系统网络请求框架

第三方框架：

第三方网络请求框架

NSURLConnection在iOS9之后，已经被苹果废弃，取而代之的是iOS7之后出现的NSURLSession。

现在各方案的使用率大概如下：

网络框架使用率

从图中可以看出，现在iOS中使用得最多的网络请求依次是AFNetworking、NSURLSession、NSURLConnection。

iOS网络框架层级关系如下所示：

网络框架层级关系

从图中可以看出，iOS网络框架由4层组成。最底层的即是系统层的BSD Sockets。中间的框架层又分为两级，CFNetwork是纯C语言实现的，NSURLConnection、NSURLSession、UIWebView是用Objective-C实现的，而且都调用的CFNetwork。最上面应用层的AFNetworking是第三方框架，是基于NSURLConnection和NSURLSession实现的。

iOS AOP编程主要方式

Method Swizzling

每一个NSObject类都包含一个isa指针，指向objc_class结构体，而每一个objc_class结构体又包含一个methodLists指针，指向objc_method_list结构体数组，在objc_method_list里又包含一个objc_method结构体成员，且每一个objc_method包含一个method_imp指针，指向方法实现。因此，只要能修改method_imp的值，就能替换原有的实现。

Proxy

在Objective-C里，NSProxy是除NSObject外唯一的根类。NSProxy是一个实现了NSObject协议的抽象类，它的正常运作需要子类override-methodSignatureForSelector:方法为sel提供方法签名，以及-forwardInvocation:方法来完成调用的转发。使用Proxy来注入NSURLConnection、NSURLSession等对delegate的回调。具体来说，在delegate proxy收到消息时，如果不是目标协议方法，则通过消息转发机制，转发给原delegate；如果是目标协议方法，则直接调用proxy实现，在proxy实现中委托调用原delegate；此外，多数协议和协议方法都是可选的，因此，在proxy的实现中需要实现-conformsToProtocol:和-respondsToSelector:方法来声明proxy额外加入的协议和方法。

FishHook

使用fishhook来替换动态链接库中的C函数实现，具体来说是CFNetwork和CoreFoundation中的相关函数。在程序运行时，动态链接的C函数dynamic(...)地址记录在DATA segment下的la_symbol_ptr中；初始时，程序只知道dynamic函数的符号名而不知道函数的实现地址；首次调用时，程序通过TEXT segment中的stub_helper取得绑定信息，通过dyld_stub_binder来更新la_symbol_ptr中的符号实现地址；这样，再次调用时，就可以通过la_symbol_ptr直接找到dynamic函数的实现；如果我们需要替换dynamic函数的实现，只需要修改_la_symbol_ptr即可。

NSURLProtocol

NSURLProtocol是iOS中URL Loading System的一部分。如果开发者自定义的一个NSURLProtocol并且注册到app中，那么在这个自定义的NSURLProtocol中我们可以拦截UIWebView，基于系统的NSURLConnection或者NSURLSession进行封装的网络请求，然后做到自定义的response返回。

四、实现

根据前面的分析和比较，可以得出网络监控的实现方案。

监听的网络框架

可能需要监听的网络框架包括：AFNetworking、NSURLConnection、NSURLSession、CFNetwork。

首先，由于CFNetwork位于较低层，在iOS10之后，很多方法hook不了，因此放弃对CFNetwork的监控。

其次，AFNetworking位于最上层的应用层，是基于NSURLConnection、NSURLSession实现的，因此只要监控了NSURLConnection、NSURLSession，就相当于监控了AFNetworking。因此，选择监控的网络框架为NSURLSession和NSURLConnection。

使用的AOP方式

因为NSURLConnection和NSURLSession使用的是Objective-C实现的，所以用不上fishhook，但是要用到Method Swizzling、Proxy以及URLProtocol。

对于网络时间的监控

单独把网络时间的监控提出来，是因为网络时间监控稍微复杂。因为在高层网络框架中，对于各阶段执行的时间节点都被封装起来了。需要到BSDSocket级别才能监控到这些时间。但是经过实验，在iOS10之后，可能是系统进行了加固，BSDSocket中有些方法没有办法进行hook了。在iOS10之后，NSURLSession中有API提供了对应的时间数据。

从苹果官网获取当前苹果手机系统版本使用占比如下图所示：

iOS系统占比

其中iOS11约占65%，iOS10约占28%,低于iOS10的约占7%。可见iOS10以上系统占了93%，覆盖了绝大部分用户。因此，对于网络时间的监控，放弃hook底层BSDSocket，直接使用NSURLSession提供的数据。

需要hook的方法

对于NSURLSession：

NSURLSession需要hook的方法

对于NSURLConnection：

NSURLConnection需要hook的方法

整体设计

如下图所示为SDK的整体结构：

SDK结构图

下图为SDK整体时序：

SDK整体时序图

五、实例

iOS端网络监控SDK及Demo见github地址：
https://github.com/frog78/NetworkMonitor

六、参考

http://www.cocoachina.com/ios/20170302/18815.html
http://www.cocoachina.com/ios/20170629/19680.html
http://www.cocoachina.com/ios/20170630/19683.html
https://juejin.im/post/5b1602906fb9a01e3542f08c