網(wǎng)絡(luò)診斷方案選型

1. 概述

一個(gè)app的表現(xiàn)，往往和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)密切相關(guān)。這里的網(wǎng)絡(luò)診斷主要是針對(duì)特定的域名或者ip，也就是說(shuō)app的網(wǎng)絡(luò)診斷是對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)到域名指向的服務(wù)端的連通性和帶寬情況。

這里分幾個(gè)層面來(lái)說(shuō)。首先是哪些信息用來(lái)診斷網(wǎng)絡(luò)，其次這些信息的診斷選擇什么工具，再次網(wǎng)絡(luò)診斷出來(lái)的數(shù)據(jù)如何理解。最后還需要給網(wǎng)絡(luò)狀況一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以便于用戶(hù)理解這個(gè)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。

2. 網(wǎng)絡(luò)診斷的工具

常用的網(wǎng)絡(luò)工具或者方式，包括ping、DNS、traceroute、網(wǎng)絡(luò)測(cè)速

2.1.ping測(cè)試

ping命令是基于ICMP，是在網(wǎng)絡(luò)層。ping的運(yùn)作原理是向目標(biāo)主機(jī)傳出一個(gè)ICMP echo@要求數(shù)據(jù)包，并等待接收echo回應(yīng)數(shù)據(jù)包。程序會(huì)按時(shí)間和成功響應(yīng)的次數(shù)估算丟失數(shù)據(jù)包率（丟包率）和數(shù)據(jù)包往返時(shí)間（網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，Round-trip delay time）。
（1）能驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的連通性
（2）會(huì)統(tǒng)計(jì)響應(yīng)時(shí)間和TTL(IP包中的Time To Live，生存周期)
那么如何驗(yàn)證的呢？
（1）ping命令會(huì)先發(fā)送一個(gè) ICMP Echo Request給對(duì)端
（2）對(duì)端接收到之后, 會(huì)返回一個(gè)ICMP Echo Reply
（3）若沒(méi)有返回，就是超時(shí)了，會(huì)認(rèn)為指定的網(wǎng)絡(luò)地址不存在。

而端口號(hào)，是傳輸層的內(nèi)容。所以在ICMP中根本就不關(guān)注端口號(hào)這樣的信息。


ping示意

（4）TTL的理解。當(dāng)我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)進(jìn)行ping操作的時(shí)候，本地機(jī)器會(huì)發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的路由器傳送到目的主機(jī)，但是由于很多的原因，一些數(shù)據(jù)包不能正常傳送到目的主機(jī)，那如果不給這些數(shù)據(jù)包一個(gè)生存時(shí)間的話，這些數(shù)據(jù)包會(huì)一直在網(wǎng)絡(luò)上傳送，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)的增大。當(dāng)數(shù)據(jù)包傳送到一個(gè)路由器之后，TTL就自動(dòng)減1，如果減到0了還是沒(méi)有傳送到目的主機(jī)，那么就自動(dòng)丟失。
PING中的TTL：Linux系統(tǒng)的TTL值為64或255。注意這里TTL值 指的是目標(biāo)主機(jī)到本地?cái)?shù)據(jù)的路由跳數(shù)，比如上例中ping 百度的結(jié)果 ，即為的為64-52=12 意味著，從本地機(jī)到百度服務(wù)器經(jīng)過(guò)了12跳路由。解釋下這里的TTL: ping中的TTL為一個(gè)為ICMP回顯應(yīng)答（ICMP Echo Reply）的TTL，這是目標(biāo)機(jī)發(fā)回來(lái)的數(shù)據(jù)包的TTL。而我們發(fā)過(guò)去的TTL是由我們本地機(jī)類(lèi)型決定，并不會(huì)顯示在ping結(jié)果。

2.2.DNS解析

DNS（Domain Name System），它的作用就是根據(jù)域名，查出對(duì)應(yīng)的 IP 地址，它是 HTTP 協(xié)議的前提。只有將域名正確的解析成 IP 地址后，后面的 HTTP 流程才可以繼續(xù)進(jìn)行下去。

DNS 服務(wù)器的要求，一定是高可用、高并發(fā)和分布式的服務(wù)器。它被分為多個(gè)層次結(jié)構(gòu)。

  • 根 DNS 服務(wù)器：返回頂級(jí)域 DNS 服務(wù)器的 IP 地址。
  • 頂級(jí)域 DNS 服務(wù)器：返回權(quán)威 DNS 服務(wù)器的 IP 地址。
  • 權(quán)威 DNS 服務(wù)器：返回相應(yīng)主機(jī)的 IP 地址。

這三類(lèi) DNS 服務(wù)器，類(lèi)似一種樹(shù)狀的結(jié)構(gòu)，分級(jí)存在。


DNS

當(dāng)開(kāi)始 DNS 解析的時(shí)候，如果 LocalDNS 沒(méi)有緩存，那就會(huì)向 LocalDNS 服務(wù)器請(qǐng)求（通常就是運(yùn)營(yíng)商），如果還是沒(méi)有，就會(huì)一級(jí)一級(jí)的，從根域名查對(duì)應(yīng)的頂級(jí)域名，再?gòu)捻敿?jí)域名查權(quán)威域名服務(wù)器，最后通過(guò)權(quán)威域名服務(wù)器，獲取具體域名對(duì)應(yīng)的 IP 地址。


查找過(guò)程

DNS 在提供域名和 IP 地址映射的過(guò)程中，其實(shí)提供了很多基于域名的功能，例如服務(wù)器的負(fù)載均衡，但是它也帶來(lái)了一些問(wèn)題。更多問(wèn)題這里不展開(kāi)，見(jiàn)參考文章[2]

查詢(xún)DNS信息一般用下面兩個(gè)命令

  • nslookup命令用于查詢(xún)DNS的記錄
  • dig命令
    在adb shell環(huán)境下測(cè)試發(fā)現(xiàn)并不支持以上兩種命令?？捎梅桨?/li>
  • （1）利用so庫(kù) 執(zhí)行底層的命令
  • （2）安裝Linux層第三方庫(kù)，使Android系統(tǒng)支持上述命令
  • （3）dnsjava

這兩種方法分別有他們的缺點(diǎn)so庫(kù)麻煩，并且體積大,而第二種方式需要root權(quán)限。

2.3.traceroute撥測(cè)

通過(guò)traceroute我們可以知道信息從你的計(jì)算機(jī)到互聯(lián)網(wǎng)另一端的主機(jī)是走的什么路徑。當(dāng)然每次數(shù)據(jù)包由某一同樣的出發(fā)點(diǎn)（source）到達(dá)某一同樣的目的地(destination)走的路徑可能會(huì)不一樣，但基本上來(lái)說(shuō)大部分時(shí)候所走的路由是相同的。linux系統(tǒng)中，我們稱(chēng)之為traceroute,在MS Windows中為tracert。 traceroute通過(guò)發(fā)送小的數(shù)據(jù)包到目的設(shè)備直到其返回，來(lái)測(cè)量其需要多長(zhǎng)時(shí)間。
traceroute也是基于ICMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。
功能：
打印出可執(zhí)行程序主機(jī)，一直到目標(biāo)主機(jī)之前經(jīng)歷多少路由器。
traceroute命令，但android不支持traceroute只有root設(shè)備支持它。
https://github.com/wangjing53406/traceroute-for-android
上述庫(kù)用JNI的生成SO來(lái)支持。
busybox實(shí)用程序包括traceroute。需要進(jìn)一步驗(yàn)證

2.4.網(wǎng)絡(luò)測(cè)速

主要測(cè)試上傳下載帶寬，例如
手機(jī)端網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工具 (android、iOS)
測(cè)速網(wǎng)
Android上利用Trafficstats流量測(cè)速度:上行、下行，下載一個(gè)文件，然后進(jìn)行測(cè)試
Trafficstats.getUidRxBytes(uid)獲取當(dāng)前線程的

  • （1）.獲得當(dāng)前的總接受數(shù)據(jù)，getTotalRxPackets()
  • （2）.每隔幾秒再獲取一次總接收的數(shù)據(jù)
  • （3）.講最新獲取的數(shù)據(jù)減去之前獲取的數(shù)據(jù)并且除以間隔的秒數(shù)，就得到了每秒平均的網(wǎng)速b/s，最后進(jìn)行單位
    轉(zhuǎn)換為kb、Mb等等

3. 網(wǎng)絡(luò)診斷數(shù)據(jù)如何分析

3.1 ping

用來(lái)測(cè)試當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的ip到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)及延遲，例如，華佗的https://ping.huatuo.qq.com/

ping測(cè)試

3.2 DNS

用來(lái)看域名解析是否正常，有無(wú)異常的劫持等

3.3 traceroute

用來(lái)看，每次路由經(jīng)過(guò)的機(jī)器的ip,中間環(huán)節(jié)是否有問(wèn)題，中間節(jié)點(diǎn)的是不是成為帶寬的瓶頸，看是否要及時(shí)改變調(diào)度策略

3.4 網(wǎng)絡(luò)測(cè)速

一些測(cè)速網(wǎng)站會(huì)選擇最近的運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果會(huì)受用戶(hù)計(jì)算機(jī)性能、資源使用情況、網(wǎng)絡(luò)高峰期、網(wǎng)站服務(wù)能力、線路等因素影響；所以，測(cè)試結(jié)果比實(shí)際速度略低。
測(cè)速的原理是 向服務(wù)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送一批探測(cè)包，然后統(tǒng)計(jì)回包的質(zhì)量，并將測(cè)速的結(jié)果通過(guò)回調(diào)接口通知出來(lái)。

測(cè)速的結(jié)果將會(huì)用于優(yōu)化接下來(lái)的服務(wù)器選擇策略，因此在一些高帶寬場(chǎng)景下會(huì)（如視頻通話）先進(jìn)行一次測(cè)速，這將有助于選擇最佳的服務(wù)器。同時(shí)，如果測(cè)試結(jié)果非常不理想，可以通過(guò)醒目的 UI 提示用戶(hù)選擇更好的網(wǎng)絡(luò)。

由于 測(cè)速服務(wù)同時(shí)可以連接的云端服務(wù)器通常有超過(guò)三個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)，測(cè)試過(guò)程是一臺(tái)接一臺(tái)串聯(lián)進(jìn)行的，所以測(cè)速結(jié)果的返回值會(huì)分多次回調(diào)通知出來(lái)。

4. 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)診斷組件或者方案對(duì)比

  • （1）HttpInfo
    比較強(qiáng)大，記錄的信息包括
    Index信息（域名以及請(qǐng)求時(shí)間）
    Net信息（手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息）
    Ping信息
    Http信息
    Host信息
    MtuScan信息
    PortScan信息
    TraceRoute信息
    NsLookup信息

  • （2）NetworkDiagnosis（內(nèi)網(wǎng)）
    ping測(cè)試
    DNS解析
    traceroute撥測(cè)
    網(wǎng)絡(luò)測(cè)速
    滿(mǎn)足大部分場(chǎng)景，代碼公開(kāi)，只有Android端

  • （3）LDNetDiagnoService_Android
    功能：ping、tcp connect和traceroute

Android的實(shí)現(xiàn)方案一:
是通過(guò)后臺(tái)線程執(zhí)行ping命令的方式模擬traceroute的過(guò)程，缺點(diǎn)就是模擬過(guò)程較慢，timeout的出現(xiàn)比較頻繁
Android的實(shí)現(xiàn)方案二:
通過(guò)編譯開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)庫(kù)iputilsC代碼的方式對(duì)traceroute進(jìn)行了套接字發(fā)送ICMP報(bào)文模擬，可以明顯提高檢測(cè)速度；（關(guān)于iputils工具原理實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)參考博文）
這里用的方案2

  • （3）facebook/network-connection-class gitHub地址
    用Android的接口實(shí)現(xiàn)的功能，只能測(cè)試下行的帶寬
  • (4)華佗診斷系統(tǒng)
    https://ping.huatuo.qq.com/
    功能：獲取客戶(hù)端IP，ldns，域名請(qǐng)求ip，請(qǐng)求耗時(shí)
    特點(diǎn)：無(wú)需客戶(hù)端，直接瀏覽器請(qǐng)求
    缺點(diǎn)：有時(shí)會(huì)獲取不到ip,dns信息，或不準(zhǔn)確

5. 根據(jù)現(xiàn)有業(yè)務(wù)如何選擇

像直播或者短視頻的應(yīng)用，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求比較高。需要對(duì)上述的幾個(gè)維度都進(jìn)行分析。而一般信息流或者IM的app對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求實(shí)時(shí)性不高的僅僅可只測(cè)試ping

6. 參考文章

[1] 移動(dòng)端下各類(lèi)診斷方法與工具
[2] Android 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，使用 HTTPDNS 優(yōu)化 DNS，從原理到 OkHttp 集成
[3] Android獲得DNS地址
[4] DNS（二）通過(guò)dig命令理解DNS
[5] Android網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與診斷
[6] 通話前網(wǎng)絡(luò)測(cè)速
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