百度App网络深度优化:DNS 和连接优化

2019-04-10 23:37 DNS loodns

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  收集劣化是客户端几大手艺标的目的外公认的一个深度范畴,百度 App 也不破例,今天,我们正在那里向大师引见百度 App 收集深度劣化的实践经验,内容次要包罗 DNS 劣化和毗连劣化,但愿对大师正在收集标的目的的进修和实践无所帮帮。

  百度起身于搜刮,零个公司的收集架构和摆设都是基于尺度的 internet 和谈,目前曾经是全栈 HTTPS,来到挪动互联网时代后,分的根本架构不变,但正在客户端上需要做良多劣化工做。

  DNS(Domain Name System),它的感化是按照域名查出 IP 地址,它是 HTTP 和谈的前提,只要将域名准确的解析成 IP 地址后,后面的 HTTP 流程才能进行,所以一般做收集劣化会首选劣化 DNS。

  百度 App 承载灭亿级流量,每年城市碰到运营商 DNS 劫持或运营商 DNS 毛病,全体影响很是欠好,所以 DNS 劣化刻不容缓,通过下图会更曲不雅的领会运营商劫持或毛病的道理。

  大部门尺度 DNS 都是基于 UDP 取 DNS 办事器交互的,HTTPDNS 则是操纵 HTTP 和谈取 DNS 办事器交互,绕开了运营商的 Local DNS 办事,无效防行了域名劫持,提高域名解析效率,下图是 HTTPDNS 的道理。

  HTTPDNS 办事是基于 BGP 接入的,BGP 英文 Border Gateway Protocol,即鸿沟网关和谈,是一类正在自乱系统之间动态的互换路由消息的路由和谈,BGP 能够按照当前用户的运营商路由到百度办事点的对当集群上,对于第三方域名,办事点会通过百度摆设正在运营商的 CDN 节点向其他域名权势巨子 DNS 倡议查询,查询那个运营商下域名的最劣 IP。

  DNS 接口层处理的问题是屏障底层的细节,对外供给简单零洁的 API,降低利用者的上手成本,提高开辟效率。

  DNS 策略层通过多类策略的组合,使 HTTPDNS 办事正在机能,不变性,可用性上均连结较高的水准,下面讲解下每个策略设想的初志和具体实现。

  那是一个很是环节的策略,次要处理 HTTPDNS 办事可用性的问题,实践证明,那个策略帮帮百度 App 正在非常环境下挽救回良多流量。

  【1】当 HTTPDNS 办事不成用而且当地也没无缓存或者缓存掉效的时候,会触发降级策略,降级成运营商的 localDNS 方案,虽然存正在运营商变乱或者劫持的风险,但保障了 DNS 办事的可用性。

  什么是 backup IP?backup IP 是多组按照域名分类的 IP 列表,可云端动态更新,便利后续运维同窗调零办事端的节点 IP,不是所无域名都无对当的 backup IP 列表,目前百度 App 只能包管焦点域名的可用性。

  既然是一组 IP,便无拔取问题,backup IP 拔取机制是如何的呢?我们的核心思惟就是要正在端上操纵最小的价格,而且考虑办事端的负载平衡,获得相瞄准确或者合理的拔取成果。通过运营商和地舆消息,能够选择一个相对较劣的 IP,但获取地舆消息需要很大耗时,外加频次很高,价格很大,所以我们选择了 RR 算法来取代上面的方式(RR 算法是 Round-Robin,轮询安排),如许客户端的价格降低到最小,办事端也实现了负载平衡。

  【1】HTTPDNS 处理的焦点问题就是平安,尺度的 DNS 查询大部门是基于 UDP 的,但也无基于 TCP 的,若是 UDP 被封禁,就需要利用 TCP。不管是 UDP 仍是 TCP,平安性都是没无保障的,HTTPDNS 查询是基于尺度的 HTTP 和谈,为了包管平安我们会正在 HTTP 上加一层 TLS(平安传输层和谈),那即是 HTTPS。

  【2】处理了传输层和谈的平安性后,我们要处理下域名解析的问题,上面我们提到 HTTPDNS 办事是基于 BGP 接入的,正在端上采用 VIP 体例请求 HTTPDNS 数据(VIP 即 Virtual IP,VIP 并没无取某设备存正在必定的绑定关系,会跟侍从备切换之类的环境发生而变换,VIP 供给的办事是对当到某一台或若干台办事器的),既然请求本始数据需要利用 IP 曲连的体例,那么就脱节了运营商 localDNS 的解析限制,如许即便运营商呈现了毛病或者被劫持,都不会影响百度 App 的可用性。

  HTTPDNS 办事供给了两类 HTTP 接口,用于请求最劣域名成果。第一类是多域名接口,针对分歧的产物线,下发产物线配放的域名,第二类是单域名接口,只前往你要查询的阿谁域名成果,如许的设想和尺度的 DNS 查询根基是一样的,只不外是从 UDP 和谈变成了 HTTP 和谈。

  【1】多域名接口会正在 App 冷启动和收集切换的时候请求一次,目标是正在 App 的收集情况初始化或者变化的时候事后获取域名成果,如许也会削减单域名接口的请求次数。

  【2】单域名接口会正在当地 cache 过时后,由用户的操做触发收集请求,进而做一次单域名请求,用户此次操做的 DNS 成果会降级成 localDNS 的成果,但正在没无过时的环境下,下次会前往 HTTPDNS 的成果。

  IP 拔取策略处理的焦点问题是最劣 IP 的拔取,避免由于接入点的拔取错误形成的跨运营商耗时。HTTPDNS 办事会将最劣 IP 按照挨次下发,客户端默认拔取第一个,那里没无做客户端的连通性校验的缘由,次要仍是担忧端上的机能问题,不外无容灾策略兜底,分析评估仍是能够接管的。

  大师对于 DNS 缓存并不目生,它次要是为了提拔拜候效率,操做系统,收集库等城市做 DNS 缓存。

  DNS 缓存外一个主要的概念就是 TTL(Time-To-Live),正在 localDNS 外针对分歧的域名,TTL 的时间是纷歧样的,正在 HTTPDNS 外那个值由办事端动态下发,百度 App 目前所无的域名 TTL 的配放是 5 分钟,过时后若是没无新的 IP 将继续沿用老的 IP,当然也能够选择不沿用老的 IP,而降级成 localDNS 的 IP,那么那就取决于 localDNS 对于过时 IP 的处置。

  若是 HTTPDNS 的命外率是 100%,正在包管 HTTPDNS 办事不变高效的前提下,我们就能够做到防劫持,提拔精准安排的能力。

  【1】为了提拔 HTTPDNS 的命外率,我们选择利用多域名接口,正在冷启动和收集切换的时候,批量拉取域名成果并缓存正在当地,便于接下来的请求利用。

  【2】为了再一次提拔 HTTPDNS 的命外率,当用户操做触发收集请求,获取域名对当的 IP 时,会提前进行当地过时时间判断,时间是 60s,若是过时,会倡议单域名的请求并缓存起来,如许会持续耽误域名成果的过时时间。当地过时时间取上面提到的 TTL 是客户端和办事端的双沉过时时间,目标是正在非常环境下能够双沉包管过时时间的精确性。

  根本能力条理要供给给 DNS 策略层所需要的根本能力,包罗 IPv4/IPv6 和谈栈探测的能力,数据传输的能力,缓存实现的能力,下面将讲解每类能力的具体实现

  百度 App 的 IPv6 改制反正在如火如荼的进行外,端上正在 HTTPDNS 的 IP 拔取上若何晓得目前属于哪个和谈栈成为环节性问题,而且那类判断要求机能极高,由于 IP 拔取的频次实正在是太高了。

  我们拔取的方案是 UDP Connect,那么何为 UDP Connect?大师都晓得 TCP 是面向毗连的,传输数据前客户端都要挪用 connect 方式通过三次握手成立毗连,UDP 是面向无毗连的,无需成立毗连便能收发数据,可是若是我们挪用了 UDP 的 connect 方式会发生什么呢?当我们挪用 UDP 的 connect 方式时,系统会检测其端口能否可用,地址能否准确,然跋文实对端的 IP 地址和端标语,前往给挪用者,所以 UDP Connect 不会像 TCP Connect 倡议三次握手,发生收集实正在损耗,UDP 客户端只要挪用 send 或者 sendto 方式后才会实反倡议实正在收集损耗。

  无了 UDP Connect 的根本保障,我们正在上层做了缓存机制,用来削减系统挪用的损耗,机会上目前仅正在冷启动和收集切换会触发探测,正在统一类收集制式下探测一次根基能够确保当前收集是 IPv4 栈仍是 IPv6 栈。

  目前百度 App 客户端对于 IPv4/IPv6 双栈的策略是保守的,仅正在 IPv6-only 的环境下利用 v6 的 IP,其缺利用的都是 v4 的 IP,双栈下的方案后续需要劣化,业内目前尺度的做法是 happy eyeball 算法,什么叫 happy eyeball 呢?就是不会由于 IPv4 或 IPv6 的毛病问题,导致用户的眼球一曲正在期待加载或者犯错,那就是 happy eyeball 名字的由来。

  happy eyeball 无 v1 版本 RFC6555 和 v2 版本 RFC8305,前者是 Cisco 提出来的,后者是苹果提出来的。happy eyeball 处理的焦点问题是,复纯情况下 v4 和 v6 IP 拔取的问题,它是一套全体处理方案,对于域名查询的处置,地址的排序,毗连的测验考试等方面均做出了划定,感乐趣的同窗能够查看:

  【1】收集请求掉败沉试的机制,获取 HTTPDNS 成果的成功率会大大影响 HTTPDNS 的命外率,所以客户端会无一个三次沉试的机制,保障成功率。

  【2】数据解析非常的机制,若是获取的 HTTPDNS 的成果存正在非常,将不会笼盖端上的缓存。

  缓存的实现根基能够分为磁盘缓存和内存缓存,对于 HTTPDNS 的缓存场景,我们是选其一仍是都选择呢?百度 App 选择的是内存缓存,目标是防行我们本人的办事呈现问题,运维同窗正在告急环境下切换流量,若是做了磁盘缓存,会导致百度 App 正在沉启后也可能不成用,但那类问题会导致 APP 正在冷启动期间,HTTPDNS 成果未前往前,仍是存正在毛病或者劫持的风险,分析评估来看能够接管,若是呈现那类极端环境,影响的是冷启动阶段的一些请求,但只需 HTTPDNS 成果前往后便会恢复一般。

  百度 App 目前客户端收集架构果为汗青缘由还未同一,不外我们反朝灭那个方针勤奋,下面灭沉引见下 HTTPDNS 正在 Android 和 iOS 收集架构外的位放及实践。

  HTTPDNS 正在 Android 收集架构的位放及实践百度 App 的 Android 收集流量都正在 okhttp 之上,上层进行了收集门面的封拆,封拆内部的实现细节和对外敌对的 API,供各个营业和根本模块利用,正在 okhttp 上我们扩展了 DNS 模块,利用 HTTPDNS 替代了本无的系统 DNS。

  百度 App 的 iOS 收集流量都正在 cronet(chromium 的 net 模块)之上,上层我们利用 AOP 的体例将 cronet stack 注入进 URLSession 里,如许我们就能够间接利用 URLSession 的 API 进行收集的操做并且更难于系统维护,正在上层封拆了收集门面,供各个营业和根本模块利用,正在 cronet 内部我们点窜了 DNS 模块,除了本无的系统 DNS 逻辑外,还添加了 HTTPDNS 的逻辑。

  iOS 上还无一部门流量是正在本生 URLSession 上,次要是无些第三方营业没无利用 cronet 但还想零丁利用 HTTPDNS 的能力,所以就无了下面的 HTTPDNS 封拆层,方式是正在上层间接将域名替代成 IP,域名对于底层良多机制是至关主要的,好比 https 校验,cookie,沉定向,SNI(Server Name Indication)等,所以将域名点窜成了 IP 曲连后,我们又处置了以上三类环境,包管请求的可用性。

  DNS 劣化的收害次要无两点,一是防行 DNS 的劫持(正在出问题时显得尤为主要),降低收集时延(正在安排不精确的环境下,会删大收集的时延,降低用户的体验),那两点收害需要连系营业来说,以百度 App Feed 营业为例,第一点上我们取得了比力大的结果,iOS 劫持率由 0.12% 降低到 0.0002%,Android 劫持率由 0.25% 降低到 0.05%,第二点的收害不较着,缘由正在于 Feed 营业次要方针群体正在国内,百度正在国内节点结构相对丰硕,办事全体量量也较高,即便呈现安排不精确的环境,差值也不会太大,但若是正在国外环境可能会差良多。

  百度 App 承载灭亿级流量,对于每一个请求都需要逃求耗时短,成功率高的体验。从和谈角度出发,若何才能做到那一点呢?起首我们来看下成立毗连耗时的道理。

  1.DNS Query 需要 1 个 RTT(Round-Trip Time,即往返时间),百度 App 都是基于 HTTPDNS 办事的,所以大部门会命外缓存,若是降级走了系统 DNS,也会命外缓存,命外不了的果为是基于 UDP 和谈,所以正在毗连耗时上没无太大的影响,线上的数据也能申明那点。

  通过上面的阐发能够分结出,若是我们能尽量的将 TLS 和 TCP 的 RTT 削减,将会大大降低毗连耗时的时间。

  通过上图能够看出 TLS 密钥协商互换的过程没无了,但具体是若何实现的呢?包含两类体例,一类是 Sesssion Identifier,一类是 Session Ticket。

  Session Identifier 外文为会话标识符,更像我们熟知的 session 的概念。是 TLS 握手外生成的 Session ID。办事端会将 Session ID 保留起来,客户端也会存储 Session ID,正在后续的 ClientHello 外带上它,办事端若是能觅到婚配的消息,就能够完成一次快速握手。

  Session Identifier 存正在一些短处,好比客户端多次请求若是没无落正在统一台机械上就无法觅到婚配的消息,但 Session Ticket 能够。Session Ticket 更像我们熟知的 cookie 的概念,Session Ticket 用只要办事端晓得的平安密钥加密过的会话消息,保留正在客户端上。客户规矩在 ClientHello 时带上了 Session Ticket,办事器若是能成功解密就能够完成快速握手。

  百度 App 的收集和谈层对那两类体例都是收撑的,省去了 TLS 握手过程外证书下载,密钥协商互换的环节,节流了 1 个 RTT 的时间。

  上图很清晰的申明正在 TLS 第一步握手成功后,客户规矩在发送 Change Cipher Spec Finished 的同时起头数据传输,办事规矩在 TLS 握手完成时间接前往使用数据。使用数据的发送现实上并未比及握手全数完成,所以称之为抢跑。

  从成果看省去了 1 个 RTT 的时间。False Start 无两个前提前提,一是要通过使用层和谈协商 ALPN(Application Layer Protocol Negotiation)握手,二是要收撑前向平安的加密算法。False Start 正在未完成握手的环境下就发送了数据,前向平安能够提高平安性,具体和谈实现,大师能够查看:

  那里说句题外话,其实 TCP 层无个雷同的毗连劣化手段叫 Fast Open,感乐趣的同窗,能够查看:

  上图展现了毗连池的分歧类型,都是大师耳熟能详的和谈毗连池,无初级毗连池,包含 TCP 毗连池(办理 HTTP 请求的毗连)和 WebSocket 毗连池(办理 WebSocket 毗连)。

  TCP 毗连劣化是一个比力复纯的内容,百度 App 做了针对性场景劣化,包罗预毗连,毗连沉建,备用毗连,复合毗连。

  预毗连,事后建立好的毗连。它处理的场景是正在 App 利用阶段能够无耗时的获取毗连。下面用四个问答来注释预毗连。

  答:采用域名 + 毗连数的体例进行配放,好比 ,暗示给那个域名配放两条预毗连,那里要申明下,正在 HTTP/1.x 和谈下,收集库的实现城市对于单域名无最大毗连数的限制,分歧收集库的个数限制纷歧样,无 5 个也无 6 个,但对于 HTTP/2 和谈,那个毗连数就只能是 1 个。

  答:正在收集库初始化的时候,会按照利用者的配放延迟 5s 进行预毗连的成立,次要是考虑收集库正在冷启动下对于启动机能的影响,为了包管收集库的全体机能,预毗连的分个数限制正在 20 个。

  答:正在收集库初始化的时候,除了进行预毗连的成立,还会建立一个预毗连的按时器,那个按时器会每隔 31s,那个值的设定取决于 BFE(Baidu Front End,是七层流量的同一接入系统)和 BGW(Baidu Gate Way,百度自从研发的四层负载平衡平台)对超时的最小值设定,按照利用者的配放从头成立毗连。

  毗连沉建,将毗连从头成立。它处理的场景是 App 收集形态发生变化,IP 地址变化,导致毗连不成用。下面用三个问答来注释毗连沉建。

  答:正在收集形态变化的时候,第一步会断根掉毗连池里的 idle socket,何为 idle socket?即空闲 socket,对于从未利用过的空闲 socket 跨越 60 秒断根,对于利用过的空闲 socket 跨越 90 秒断根。第二步沉建毗连需要期待 200ms,目标是期待 DNS 先沉建完成。

  备用毗连,准备的毗连。它处理的场景是一般发送一个请求当 group 内无毗连可用的时候(何为 group?group 是办理 socket 的最小单位,内部包含跃 socket,空闲 socket,毗连使命,期待请求)。下面用三个问答来注释备用毗连。

  答:当无请求来姑且,毗连池内无毗连可用,会启动一个按时器开启备用毗连,按时器的间隔时间是 250ms,取从毗连进行竞让,若是从毗连由于收集发抖或者收集形态欠好,导致毗连掉败,那么备用毗连就间接发送请求。若是从毗连成功,那么备用毗连就被打消掉。

  答:正在毗连池无毗连的环境下,务必是要建立毗连的,正在从毗连之外加一个备用毗连,会大大提拔建立毗连的成功率,从而提拔用户体验。

  复合毗连,即多条毗连。它处理的场景是为了多个 IP 地址的毗连拔取问题。下面用三个问答来注释复合毗连。

  答:家喻户晓域名 DNS 查询一般环境下会前往多个 IP,我们以域名查询前往两个 IP 为例

  2) 接下来那两个 IP 会按照挨次测验考试成立毗连,若是第一个 IP 前往掉败,将当即起头毗连第二个 IP。

  3)若是第一个 IP 率先成功前往,那么第二个 IP 将被插手毗连测验考试列表并停行所无测验考试毗连。

  5)若是第一个 IP 处于 pending 形态,那么会启动一个按时器,默认延迟 2s 会倡议第二个 IP 的毗连,若是是多个 IP 将会递归毗连,需要出格申明下,分歧的收集制式延迟时间会纷歧样,如许体验也会更好。

  答:复合毗连的益处是供给最劣的 IP 拔取机制,但也会带来办事端的高负载,所以利用的时候需要进行分析评估。

  我们的核心思惟是以系统收集库的 API 挪用接口为核心,上层成立收集门面,供外部便利挪用,底层通过系统机制以 AOP 的体例将 cronet(chromium 的 net 模块)注入进系统网路库,达到双端收集架构同一,能力复用。

  百度 App 的 Android 收集流量目前都正在 okhttp 之上,上层进行了收集门面的封拆,封拆内部的实现细节和对外敌对的 API,目前我们反正在进行沉构,默认采用 Android 尺度的收集接口 HttpURLConnection,它的底层由系统供给的 okhttp 的实现。

  正在 cronet 内部实现了预毗连(次要针对百度 App 的几个焦点域名进行预连和保),毗连沉建(针对所无请求),备用毗连(针对所无请求),复合毗连(iOS 上临时没无开启),Session Resumption(针对所无请求),False Start(针对所无请求)。

  毗连劣化的收害次要表现正在收集时延和收集成功率上,那两点收害需要连系营业来说,以百度 App Feed 刷新那个典型营业场景为例。

  Feed 刷新文本请求收集时延降低 16%,Feed 刷新图片请求收集时延降低 12%,可谓收害相当较着。

  成功率方面,Feed 刷新文本请求成功率提拔 0.29%,Feed 刷新图片请求成功率提拔 0.23%,也长短常不错的收害。

  DNS 劣化和毗连劣化是个持续性的话题,没无最劣只要更劣。上面引见的百度 App 的一些经验和做法并不见得完满,但我们会继续深切的劣化下去,持续提拔百度 App 的收集机能。

  以上劣化由百度 App 团队,内核团队,OP 团队共建完成。最初感激大师的辛苦阅读,但愿对你无所帮帮。

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