Android 网络性能优化（4）弱网优化
系列文章目录
1. Android 网络性能优化（1）概述
2. Android 网络性能优化（2）DNS优化
3. Android 网络性能优化（3）复用连接池
4. Android 网络性能优化（4）弱网优化
文章目录
- 系列文章目录
- 1. 背景
- 2. 弱网
-
- 2.1 什么是弱网
- 2.2 弱网指标
- 2.3 建立弱网标准 / 弱网检测
- 3. 弱网检测
-
- 3.1 主动网络探测
-
- 3.1.1 策略层
- 3.1.2 基础能力层
- 3.1.3 接口层
- 3.2 被动网络采集
-
- 3.2.1 基础能力层
- 3.2.2 策略层
- 3.2.3 接口层
- 4. 弱网状态下的优化
-
- 4.1 使用QUIC进行弱网优化
-
- 4.1.1 网络库切换
- 4.1.2 QUIC预连接
- 4.2 复合连接
- 4.3 其他
- 5. 弱网测试
- 6. 参考文章
1. 背景
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：
- 移动网络环境如此复杂，我们如何确定当下就是弱网环境？
- 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
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：
- 丢包率
- 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：
- 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）
- 信号弱
- 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 - 中间的网络节点挂了
- …
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
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：
- tcprtt
- httprtt
- 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。
获取到这三个值后，需要经过一些策略限制上报的频次，10s的间隔限制；网络类型不能是UNKNOWN；网络不能频繁切换；rtt和总吞吐量大小各300。
这些限制都是为了排除误差、降低性能损耗。
3.2.3 接口层
接口层提供的状态是对标主动采集的网络状态的，所以也包括 GOOD、BAD、UNKNOWN、OFFLINE
- GOOD
3G网、4G网、5G网，任一条件满足即标记为GOOD状态。
通过阈值标记3G和广义的4G，httprtt大于等于273ms，tcprtt大于等于204ms，即标记为3G状态。
小于这两个值则被标记为4G、5G网。 - BAD
2G网、httprtt大于1.31s，任一条件满足则标记为BAD状态。阈值需要在网上查询资料，根据业务线调整。 - UNKNOWN
非法的httprtt、tcprtt、吞吐量，任一条件满足则标记为UNKNOWN状态。比如初始化的时候，有的值会标为-1 - OFFLINE
依赖平台能力进行判断，Android可以利用ConnectivityManager得到NetworkInfo，判断网络信息（没有连接wifi、或者wifi无网络等）
4. 弱网状态下的优化
4.1 使用QUIC进行弱网优化
QUIC是一种udp协议，由google发明，实现了TCP+TLS+HTTP/2，它还有一个更加响亮的名称： Http/3，Cronet库对其进行了支持，Android、iOS平台都可以使用。因为我自身对QUIC并不了解，所以这里并不会给出过多的使用介绍，接下来的一个月内，我会专门学习并写一篇有关 QUIC的文章。
总的来说，QUIC协议本身高效节流的特性，使得它在弱网络环境下可以大施拳脚。那么如何使用它呢？
4.1.1 网络库切换
在进行网络探测，并根据探测结果诊断当前网络状态为弱网时，网络请求进行切换，即将请求库切换到QUIC。
而当网络探测恢复为正常状态时，使用正常的网络库，例如OkHttp。
4.1.2 QUIC预连接
所谓QUIC的预连接，就是在进入弱网状态前提前建立QUIC连接。QUIC有引以为傲的0RTT，但第一次建立连接的时候是需要1RTT的，客户端首先会向服务器发送一个client hello消息，服务器会回复一个server reject消息，这个消息中包括了server config，有了server config后客户端就可以直接计算出密钥，完成0RTT。
所以我们在App启动的过程中会做一次QUIC预连接，将server config拉取下来，这样等进入弱网后走QUIC协议。
4.2 复合连接
复合连接，即多条连接。它解决的场景是为了多个IP地址的连接选取问题。无论是HttpDNS还是LocalDNS中，我们都能获取到一个域名下的多个ip。我们可以找到最优ip进行连接：
比如我们通过HttpDNS获取到两个ip，那我们将走下面步骤：
- 如果结果中存在IPv6的地址，那么会优先选用IPv6的地址，这个规则follow HappyEyeBall机制（可参考系列一对于HappyEyeBall的介绍）
- 接下来这两个IP会按照顺序尝试建立连接，如果第一个IP返回失败，将立即开始连接第二个IP
- 如果第一个IP率先成功返回，那么第二个IP将被加入连接尝试列表并停止所有尝试连接
- 如果第一个IP失败，会立刻开始第二个IP的连接
- 如果第一个IP处于pending状态，那么会启动一个定时器，默认延迟2s会发起第二个IP的连接，如果是多个IP将会递归连接，需要特别说明下，不同的网络制式延迟时间会不一样，这样体验也会更好。
复合连接的好处是提供最优的ip选取机制，但是也会带来服务端的高负载，所以使用的时候需要进行综合评估。
4.3 其他
- 减少资源传送
- 重连
- 合并资源请求
- 使用缓存兜底
- 心理博弈，在ui层面上让用户耐心等待
- …
5. 弱网测试
弱网测试的本质是模拟弱网环境。通过 Fiddler可以模拟。这里我介绍一种更便捷的方式： QNET
QNET弱网测试由腾讯开发，无需ROOT手机，无需连接数据线，以独立app的方式，为用户提供给快捷、可靠、功能完善的弱网络模拟服务，下载地址：QNET弱网测试
先选择需要测试的App：
然后设置参数，QNET提供了多个参数调整：
最后可以查看弱网模板：
6. 参考文章
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
弱网的概念以及弱网测试
QUIC成为了HTTP/3的标准传输协议！
技术扫盲：新一代基于UDP的低延时网络传输层协议——QUIC详解
弱网的概念以及弱网测试