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Android 网络优化,使用 HTTPDNS 优化 DNS,从原理到 OkHttp 集成

一、前言

谈到优化,首先第一步,肯定是把一个大功能,拆分成一个个细小的环节,再单个拎出来找到可以优化的点,App 的网络优化也是如此。

在 App 访问网络的时候,DNS 解析是网络请求的第一步,默认我们使用运营商的 LocalDNS 服务。有数据统计,在这一块 3G 网络下,耗时在 200~300ms,4G 网络下也需要 100ms。

解析慢,并不是 LocalDNS 最大的问题,它还存在一些更为严重的问题,例如:DNS 劫持、DNS 调度不准确(缓存、转发、NAT)导致性能退化等等,这些才是网络优化最应该解决的问题。

想要优化 DNS,现在最简单成熟的方案,就是使用 HTTPDNS。

今天就来聊聊,DNS、HTTPDNS,以及在 Android 下,如何使用 OKHttp 来集成 HTTPDNS。

二、DNS 和 HTTPDNS

2.1 什么是 DNS

在说到 HTTPDNS 之前,先简单了解一下什么是 DNS?

在网络的世界中,每个有效的域名背后都有为其提供服务的服务器,而我们网络通信的首要条件,就是知道服务器的 IP 地址。

但是记住域名(网址)肯定是比记住 IP 地址简单。如果有某种方法,可以通过域名,查到其提供服务的服务器 IP 地址,那就非常方便了。这里就需要用到 DNS 服务器以及 DNS 解析。

DNS(Domain Name System),它的作用就是根据域名,查出对应的 IP 地址,它是 HTTP 协议的前提。只有将域名正确的解析成 IP 地址后,后面的 HTTP 流程才可以继续进行下去。

DNS 服务器的要求,一定是高可用、高并发和分布式的服务器。它被分为多个层次结构。

  • 根 DNS 服务器:返回顶级域 DNS 服务器的 IP 地址。
  • 顶级域 DNS 服务器:返回权威 DNS 服务器的 IP 地址。
  • 权威 DNS 服务器:返回相应主机的 IP 地址。

这三类 DNS 服务器,类似一种树状的结构,分级存在。

当开始 DNS 解析的时候,如果 LocalDNS 没有缓存,那就会向 LocalDNS 服务器请求(通常就是运营商),如果还是没有,就会一级一级的,从根域名查对应的顶级域名,再从顶级域名查权威域名服务器,最后通过权威域名服务器,获取具体域名对应的 IP 地址。

DNS 在提供域名和 IP 地址映射的过程中,其实提供了很多基于域名的功能,例如服务器的负载均衡,但是它也带来了一些问题。

2.2 DNS 的问题

DNS 的细节还有很多,本文就不展开细说了,其问题总结来说就是几点。

1. 不稳定

DNS 劫持或者故障,导致服务不可用。

2. 不准确

LocalDNS 调度,并不一定是就近原则,某些小运营商没有 DNS 服务器,直接调用其他运营商的 DNS 服务器,最终直接跨网传输。例如:用户侧是移动运营商,调度到了电信的 IP,造成访问慢,甚至访问受限等问题。

3. 不及时

运营商可能会修改 DNS 的 TTL(Time-To-Live,DNS 缓存时间),导致 DNS 的修改,延迟生效。

还有运营商为了保证网内用户的访问质量,同时减少跨网结算,运营商会在网内搭建内容缓存服务器,通过把域名强行指向内容缓存服务器的地址,来实现本地本网流量完全留在本地的目的。

对此不同运营商甚至实现都不一致,这对我们来说就是个黑匣子。

正是因为 DNS 存在种种问题,所以牵出了 HTTPDNS。

2.3 HTTPDNS 的解决方案

DNS 不仅支持 UDP,它还支持 TCP,但是大部分标准的 DNS 都是基于 UDP 与 DNS 服务器的 53 端口进行交互。

HTTPDNS 则不同,顾名思义它是利用 HTTP 协议与 DNS 服务器进行交互。不走传统的 DNS 解析,从而绕过运营商的 LocalDNS 服务器,有效的防止了域名劫持,提高域名解析的效率。

这就相当于,每家各自基于 HTTP 协议,自己实现了一套域名解析,自己去维护了一份域名与 IP 的地址簿,而不是使用同一的地址簿(DNS服务器)。

据说微信有自己部署的 NETDNS,而各大云服务商,阿里云和腾讯云也提供了自己的 HTTPDNS 服务,对于我们普通开发者,只需要付出少量的费用,在手机端嵌入支持 HTTPDNS 的客户端 SDK,即可使用。

三、 OKHttp 接入 HTTPDNS

既然了解了 HTTPDNS 的重要性,接下来看看如何在 OkHttp 中,集成 HTTPDNS。

OkHttp 是一个处理网络请求的开源项目,是 Android 端最火热的轻量级网络框架。在 OkHttp 中,默认是使用系统的 DNS 服务 InetAddress 进行域名解析。

InetAddress ip2= InetAddress.getByName("www.cxmydev.com");
System.out.println(ip2.getHostAddress());
System.out.println(ip2.getHostName());
复制代码

而想在 OkHttp 中使用 HTTPDNS,有两种方式。

  1. 通过拦截器,在发送请求之前,将域名替换为 IP 地址。
  2. 通过 OkHttp 提供的 .dns() 接口,配置 HTTPDNS。

对这两种方法来说,当然是推荐使用标准 API 来实现了。拦截器的方式,也建议有所了解,实现很简单,但是有坑。

3.1 拦截器接入方式

1. 拦截器接入

拦截器是 OkHttp 中,非常强大的一种机制,它可以在请求和响应之间,做一些我们的定制操作。

在 OkHttp 中,可以通过实现 Interceptor 接口,来定制一个拦截器。使用时,只需要在 OkHttpClient.Builder 中,调用 addInterceptor() 方法来注册此拦截器即可。

OkHttp 的拦截器不是本文的重点,我们还是回到拦截器去实现 HTTPDNS 的话题上,拦截器没什么好说的,直接上相关代码。

class HTTPDNSInterceptor : Interceptor{
    override fun intercept(chain: Interceptor.Chain): Response {
        val originRequest = chain.request()
        val httpUrl = originRequest.url()

        val url = httpUrl.toString()
        val host = httpUrl.host()

        val hostIP = HttpDNS.getIpByHost(host)
        val builder = originRequest.newBuilder()

        if(hostIP!=null){
            builder.url(HttpDNS.getIpUrl(url,host,hostIP))
            builder.header("host",hostIP)
        }
        val newRequest = builder.build()
        val newResponse = chain.proceed(newRequest)
        return newResponse
    }
}
复制代码

在拦截器中,使用 HttpDNS 这个帮助类,通过 getIpByHost() 将 Host 转为对应的 IP。

如果通过抓包工具抓包,你会发现,原本的类似 http://www.cxmydev.com/api/user 的请求,被替换为:http://220.181.57.xxx/api/user

2. 拦截器接入的坏处

使用拦截器,直接绕过了 DNS 的步骤,在请求发送前,将 Host 替换为对应的 IP 地址。

这种方案,在流程上很清晰,没有任何技术性的问题。但是这种方案存在一些问题,例如:HTTPS 下 IP 直连的证书问题、代理的问题、Cookie 的问题等等。

其中最严重的问题是,此方案(拦截器+HTTPDNS)遇到 https 时,如果存在一台服务器支持多个域名,可能导致证书无法匹配的问题。

在说到这个问题之前,就要先了解一下 HTTPS 和 SNI。

HTTPS 是为了保证安全的,在发送 HTTPS 请求之前,首先要进行 SSL/TLS 握手,握手的大致流程如下:

  1. 客户端发起握手请求,携带随机数、支持算法列表等参数。
  2. 服务端根据请求,选择合适的算法,下发公钥证书和随机数。
  3. 客户端对服务端证书,进行校验,并发送随机数信息,该信息使用公钥加密。
  4. 服务端通过私钥获取随机数信息。
  5. 双方根据以上交互的信息,生成 Session Ticket,用作该连接后续数据传输的加密密钥。

在这个流程中,客户端需要验证服务器下发的证书。首先通过本地保存的根证书解开证书链,确认证书可信任,然后客户端还需要检查证书的 domain 域和扩展域,看看是否包含本次请求的 HOST。

在这一步就出现了问题,当使用拦截器时,请求的 URL 中,HOST 会被替换成 HTTPDNS 解析出来的 IP。当服务器存在多域名和证书的情况下,服务器在建立 SSL/TLS 握手时,无法区分到底应该返回那个证书,此时的策略可能返回默认证书或者不返回,这就有可能导致客户端在证书验证 domain 时,出现不匹配的情况,最终导致 SSL/TLS 握手失败。

这就引发出来 SNI 方案,SNI(Server Name Indication)是为了解决一个服务器使用多个域名和证书的 SSL/TLS 扩展。

SNI 的工作原理,在连接到服务器建立 SSL 连接之前,先发送要访问站点的域名(hostname),服务器根据这个域名返回正确的证书。现在,大部分操作系统和浏览器,都已经很好的支持 SNI 扩展。

3. 拦截器 + HTTPDNS 的解决方案

这个问题,其实也有解决方案,这里简单介绍一下。

针对 "domain 不匹配" 的问题,可以通过 hook 证书验证过程中的第二步,将 IP 直接替换成原来的域名,再执行证书验证。

而 HttpURLConnect,提供了一个 HostnameVerifier 接口,实现它即可完成替换。

public interface HostnameVerifier {
    public boolean verify(String hostname, SSLSession session);
}
复制代码

如果使用 OkHttp,可以参考 OkHostnameVerifier (source://src/main/java/okhttp3/internal/tls/OkHostnameVerifier.java) 的实现,进行替换。

本身 OkHttp 就不建议通过拦截器去做 HTTPDNS 的支持,所以这里就不展开讨论了,这里只提出解决的思路,有兴趣可以研究研究源码。

3.2 OKHttp 标准 API 接入

OkHttp 其实本身已经暴露了一个 Dns 接口,默认的实现是使用系统的 InetAddress 类,发送 UDP 请求进行 DNS 解析。

我们只需要实现 OkHttp 的 Dns 接口,即可获得 HTTPDNS 的支持。

在我们实现的 Dns 接口实现类中,解析 DNS 的方式,换成 HTTPDNS,将解析结果返回。

class HttpDns : Dns {
    override fun lookup(hostname: String): List<InetAddress> {
        val ip = HttpDnsHelper.getIpByHost(hostname)
        if (!TextUtils.isEmpty(ip)) {
            //返回自己解析的地址列表
            return InetAddress.getAllByName(ip).toList() 
        } else {
            // 解析失败,使用系统解析
            return Dns.SYSTEM.lookup(hostname)
        }
    }
}
复制代码

使用也非常的简单,在 OkHttp.build() 时,通过 dns() 方法配置。

mOkHttpClient = httpBuilder
        .dns(HttpDns())
        .build();
复制代码

这样做的好处在于:

  1. 还是用域名进行访问,只是底层 DNS 解析换成了 HTTPDNS,以确保解析的 IP 地址符合预期。
  2. HTTPS 下的问题也得到解决,证书依然使用域名进行校验。

OkHttp 既然暴露出 dns 接口,我们就尽量使用它。

四、小结时刻

现在大家知道,在做 App 的网络优化的时候,第一步就是使用 HTTPDNS 优化 DNS 的步骤。

所有的优化当然是以最终效果为目的,这里提两条大厂公开的数据,对腾讯的产品,在接入 HTTPDNS 后,用户平均延迟下降超过 10%,访问失败率下降超过五分之一。而百度 App 的 Feed 业务,Android 劫持率由 0.25% 降低到 0.05%。

此种优化方案,非常依赖 HTTPDNS 服务器,所以建议使用 阿里云、腾讯云 这样相对稳定的云服务商。

references:

【1】百度App网络深度优化系列一 DNS 优化

【2】SIN:https://blog.csdn.net/makenothing/article/details/53292335

【3】鹅厂网事,HTTPDNS 服务详解


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