Android 网络性能优化（4）弱网优化，移动开发工程师的岗位职责
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4. 弱网状态下的优化
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- 4.1 使用QUIC进行弱网优化
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- 4.1.1 网络库切换
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4.1.2 QUIC预连接
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4.2 复合连接
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4.3 其他
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5. 弱网测试
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6. 参考文章
1. 背景
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移动端时段，手机网络的连接形态是无线的，即通过Wifi连接，在前面章节有提高过，无线连接的优点就是便捷，只要有信号就能上网。而它的缺点是不稳定，它没有像导线那样的抗干扰手段，而且离信号越远网络越差。手机用户几乎都能体验到网络不好的情况的。
而对于移动端开发来说，在网络不好的情况下进行交互，如果处理不好，会消耗宽带、浪费电量等资源问题，所以我们有必要解决弱网环境下会出现的问题。弱网优化需要解决的核心问题有两点：
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移动网络环境如此复杂，我们如何确定当下就是弱网环境？
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如果是弱网环境，我们应该如何提升弱网环境下的业务成功率？
2. 弱网
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2.1 什么是弱网
弱网并没有明确的定义，所以这需要我们根据实际场景来建立一套标准。一般来说有两个角度，即大指标：
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丢包率
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网络延时
上述两个都好理解，网络太复杂，造成丢包率高和网络延时高的原因太多了，比如：
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网络拥塞状况下， 服务器处理的策略是丢包，来缓解服务器压力（但是有的服务器策略就是不丢包，排队处理，这是两种完全不同的情况，客户端需要处理的方式完全相反，所以这个需要客户端和服务端来协商）
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信号弱
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2g网3g网
传输的数据量较大，但是带宽小，就会导致大量数据丢失，表现形式就是网络延时
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中间的网络节点挂了
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…
既然没有明确的定义，那我们只能通过各种工具和手段来判断当前是否为弱网环境了。对于丢包率和网络延时，都是可以使用数据来进行衡量的，下面来介绍更细化的指标。
2.2 弱网指标
如下图所示：
- httprtt（Http Round-Tip Time）
又称TTFB（Time to first byte），指从客户端请求的第一个字节开始发送到接收到http header的第一个字节的时间差。即 httprtt = 接收第一个字节的时间 - 发送第一个字节的时间。如果httprtt的时间较长，则说明出现了网络延时，也可能是接入的网络质量的问题。
- tcprtt （tcp Round-Tip Time）
tcprtt = 通过tcp通道接收到第一个字节的时间 - 发送第一个字节的时间。因为Http是基于Tcp的，所以在复用同一条tcp通道的情况下，httprtt的时间是包含tcprtt时间的。大部分情况下，httprtt已经可以说明问题的原因。
- throughput
吞吐量，它是用来衡量单位时间内成功传送数据的数量，是比较权威的、官方的衡量网络质量的指标。最简单的公式： 吞吐量 = C / T ，C为完成的任务总量，T为完成这些任务的时间。
- singal strength
指的是无线信号强度，也就是我们的wifi信号格。Android上SDK就可以支持获取了，而iOS则需要通过黑科技来获取。
- bandwidth-delay product（带宽时延乘积）
带宽时延乘积，指的是一个数据链路的能力（bit/s）与来回通信延迟（s）的乘积。其结果是以比特（或字节）为单位的一个数据总量，反映的是当前网络通道的最大容量。Tcp中有滑动窗口的概念，会限制发送和接收数据的大小，所以Tcp窗口的大小是直接受带宽时延乘积的影响，来设置接收缓冲区大小和发送缓冲区大小。
2.3 建立弱网标准 / 弱网检测
在 百度APP移动端网络深度优化实践分享(三)：移动端弱网优化篇中，百度使用的是一个循序渐进的过程，通过三个阶段来建立一个弱网标准：
- 第一阶段，线下测试
获取预期的阈值，在测试App网络切换、DNS故障时，抓取这些数据
- 第二阶段，线上进行验证
通过线下获取到的阈值，在线上可以获取到弱网的比例，找到会出现弱网的场景，进行诊断优化。（比如网络体验最好的微信，也只是在信令的传输上优化到极致）
- 第三阶段，线上反复试验
通过反复试验来调整阈值，使得优化更接近业务层。
腾讯的做法也大同小异，都是根据2.2的指标进行数据收集，整理一套达到弱网时的数据标准。但是我们该如何去探测这些数据呢？这需要我们实现一套完整的网络探测架构。
3. 弱网检测
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这部分基本照抄百度的实现了。网络探测是弱网检测的基础，目标是能够即时、正确的检测出网络质量，我们把网络探测分成两个部分，主动网络探测和被动网络采集。
3.1 主动网络探测
主动检测，就是在触发了某些特定条件后，主动的进行网络检测，并按照一定的条件检查出是否为弱网状态。架构图如下所示：
3.1.1 策略层
策略层，通过多种策略，使主动探测的即时性和准确性得到提高。主要在网络请求成功和失败的时候触发弱网检测的逻辑。大致分成下面三个逻辑：
- 成功时，如何判断进入弱网状态？
检测 httprtt，是否达到弱网的阈值（即设定的 weak-httprtt），大于这个值就会进入弱网检测，为了防止频繁触发探测，加了时间间隔，一般为5~15min
- 成功时，如何判断退出弱网状态？
检测 httprtt，是否没有达到阈值（即设定的 good-httprtt），如果小于这个值则切回到正常的网络状态。防止频繁触发探测，加了时间间隔，一般为30s~60s。
在多次实验中，发现如果小于阈值，就一定是正常状态，而大于或等于阈值，并不能证明一定不是正常网络，所以也需要发起网络探测。但是由于这个动作是发生在成功的回调里，所以频次会很高，所以需要加上时间间隔。可能还需要限制次数。
- 失败时，如何判断进入弱网状态？
直接进行网络探测，但是由于可能会频繁触发，其检测的条件需要比成功时检测要更加严苛，所以不会在时间上加限制，而是从次数上加限制。
进入网络探测状态后，就轮到基础能力层来实现。
3.1.2 基础能力层
基础能力层就是提供网络探测的手段，一般有两个：
- dns query
使用Android系统的默认DNS服务器来查询目标服务器的（核心）域名，DNS查询的超时时间为3s
- ping
正所谓“想测网络通不通，不ping百度ping京东”。因为他们的服务器都比较稳定，很少宕机，通过ping这些域名来了解当前网络状态、丢包率等信息。ping的次数为两次，超时时间默认是1s。
为什么要使用这两种手段呢？这是因为网络请求的过程中，主要有 DNS查询、TLS握手、TCP握手。而 DNS Query可以用来获取dns是否出现问题，ping可以用来检测TCP连接的连通性。
除了上面两种手段，应该也有其他网络探测的方式。在执行完这些手段后，将探测数据交给接口层。
3.1.3 接口层
接口层提供网络状态，大致为下面几个：
- GOOD
DNS查询成功、Ping成功，且没有超时、无丢包
- BAD
ping失败则为BAD
- UNKNOWN
无法识别状态
- OFFLINE
dns查询错误、网关错误，发送dns错误、ping读写错误、接收dns错误、ping地址错误等
3.2 被动网络采集
被动采集，就是每一次网络请求的所有细节都进行记录，并按照一定的条件将原始信息进行上报，上层再根据条件判断是否是弱网状态。cronet（Chromium提供给Android的网络堆栈库）可以提供这个能力，OkHttp应该没有这种能力，所以可以考虑接入 cronet。
被动采集的信息主要有以下三个：
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tcprtt
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httprtt
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throughput
架构图如下所示：
3.2.1 基础能力层
基础能力层就是采集网络请求的三个参数tcprtt、httprtt、throughput。
（1）tcprtt采集
基于posix和windows的socket编程接口来获取tcprtt。获取时机在连接完成，读完成和写完成；
（2）httprtt采集
基于HTTP协议栈实现，通过计算接收response数据开始和开始发送的时间差，来获取httprtt。获取时机在读首包完成时；
（3）throughput采集
通过计算公式获取bytes总量和时间，基于posix和windows的socket编程接口来获取bytes。获取时机在读完成时记录接收的bytes，在写完成时记录发送的bytes。时间的获取在吞吐量管理模块里完成，获取时机在请求完成和请求销毁时。
3.2.2 策略层
通过获取到的数据进行上报，三种数据对应三种模块，对于上报的时机需要做处理。
（1） 套接字管理模块
使用cronet的话，可以通过 getsockopt()函数获取 tcp_info结构体中的 trcpi_rtt值。其次由于tcprtt的上报比较频繁，所以需要做时间限制，最少间隔 1~3s
（2）吞吐量管理模块
负责吞吐量计算，之前介绍了公式，从网络活动监控器模块获取bytes，但是吞吐量的计算单位是bits，所以将bytes乘以8,。只有GET请求会被列入统计计算，并且至少要累计5个请求才开始统计计算。
排除精准度的干扰，比如 localhost，私有子网上的主机，特定用途的子网主机，可以参考 rfc1918 的规范
（3）网络质量管理模块
从套接字管理模块获取tcprtt，从吞吐量管理模块获取吞吐量，并且在Http协议栈读到首包完成时获取httprtt。
最后
**要想成为高级安卓工程师，必须掌握许多基础的知识。**在工作中，这些原理可以极大的帮助我们理解技术，在面试中，更是可以帮助我们应对大厂面试官的刁难。
准度的干扰，比如 localhost，私有子网上的主机，特定用途的子网主机，可以参考 rfc1918 的规范
（3）网络质量管理模块
从套接字管理模块获取tcprtt，从吞吐量管理模块获取吞吐量，并且在Http协议栈读到首包完成时获取httprtt。
最后
**要想成为高级安卓工程师，必须掌握许多基础的知识。**在工作中，这些原理可以极大的帮助我们理解技术，在面试中，更是可以帮助我们应对大厂面试官的刁难。
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