APP网络监控-技术分享

作者: coder_feng | 来源:发表于2021-07-12 16:09 被阅读0次

1.背景

随着业务的发展，用户对于网络的依赖场景会越来越多，随之而来遇到的各种异常网络场景也越来越多。

1、为了保证网络的接口的持续健康、及时发现问题，为网络性能优化提供数据基础。

2、同时以报表的形式直观的去展现现有网络质量。

3、也为了更好的支撑后续业务的发展，就需要我们去搭建起相应的网络监控体系。

二、目标

提供一套完整的网络采集、监控和预警的可视化机制，用于线上接口可用性和健康度观察，并提供一系列排查问题的辅助信息。

通过仪表盘可视化呈现网络质量，包括但不限于以下能力：

总体请求成功率
过滤单个请求成功率、失败错误码
查看接口请求详情
接口访问平均耗时、时长分布
通过 traceId 实现从客户端请求的发起到最终具体服务器的处理返回全链路追踪。

三、总体方案

网络接口监控架构.png

不管是 iOS 还是 Android ，两者最终要做的目标方案如上图。这里从下到上分别阐述每个部分的功能：

网络基础库：针对平台特性，这里有 iOS 的 AFnetworking、Alamofire 和 Android 的 okhttp3、okhttp4 ，其实现原理应该都差不多，都是针对底层的网络api进行进一步的封装，提高接口的易用性。

拦截器：主要是针对各个基础网络库进行接口拦截。根据平台不同，iOS 主要使用 NSProtocol + Hook，Android 使用 Aspect 。

网络封装库：一般开发过程都会针对基础的网络库再做二次封装，加入一些策略、缓存、安全校验等管理，使其更加贴合业务和快速接入使用。

插件/功能模块：以插件化的形式提供额外的网络功能

统计模块：将从业务开始调用到回调给业务方的各个环节的耗时及状态值，变成统计数据汇报到APM。
网络诊断模块：对关键业务进行诊断，包括dns解析、ping、弱网检测等，输出诊断报告并上报到APM。
重试模块：根据策略进行重试，包括 ip 重试、https 降级重试、原 url 重试等。
httpdns模块：提供 httpdns 能力，解决域名劫持问题。
上传模块：提供上传能力，包括断点续传、分片上传以及包体大小、上传耗时等信息监控。
下载模块：提供下载能力，包括大文件下载、断点续传以及包体大小、下载耗时等信息监控。
mock 模块：提供 mock 能力，主要用于测试和后台接口还没有准备好的情况下使用。
对外接口层：这一层直接对接上层业务。

四、具体实现

1）请求方式

iOS 常用的第三方网络 AFNetworking、Alamofire 基本都是基于 NSURLConnection 或者是 NSURLSession 的封装，其中 NSURLConnection 是比较旧的使用方式了，而 NSURLSession 则是比较新的也是比较被推荐的使用方式。

2）底层原理

在使用 NSURLConnection 和 NSURLSession 进行网络请求的时候，实际上走的都是更底层的 URL Loading System，URL Loading System 使用标准协议 https 或者自定义协议访问标识资源，本身支持 http，https，文件，ftp 和数据协议。

可以通过继承 NSURLProtocol 实现一个自定义的 Protocol，然后调用 registerClass：方法注册到 URL Loading System 中去，这样 NSURLConnection、NSURLSession 或者是 NSURLDownload 在使用 NSURLRequest 初始化一个连接的时候，URL Loading System 就会

将按照注册时的相反顺序询问每个注册的类，询问到第一个 +canInitWithRequest: 方法返回 YES 的时候则使用该类去处理请求。

NSURConnection 中，直接调用 registerClass：方法注册我们自己的协议即可。
NSURLSession 中，如果是通过 [NSURLSession sharedSession] 初始化创建网络请求，调用 registerClass：即可，如果是通过 configurantion 来初始化，则通过修改 configuration 的 protocolClasses 属性，把自定义类插入到该数组的前面，确保我们的自定义的协议能够优先处理到网络请求。

可以看到 OHHTTPStubs 开源库在注册子类的时候也是这样处理的

+ (void)setEnabled:(BOOL)enable forSessionConfiguration:(NSURLSessionConfiguration*)sessionConfig
{
    // Runtime check to make sure the API is available on this version
    if ([sessionConfig respondsToSelector:@selector(protocolClasses)]
        && [sessionConfig respondsToSelector:@selector(setProtocolClasses:)])
    {
        NSMutableArray * urlProtocolClasses = [NSMutableArray arrayWithArray:sessionConfig.protocolClasses];
        Class protoCls = HTTPStubsProtocol.class;
        if (enable && ![urlProtocolClasses containsObject:protoCls])
        {
            // 将自己的 NSURLProtocol 插入到 protocolClasses 的第一个，进行拦截
            [urlProtocolClasses insertObject:protoCls atIndex:0];
        }
        else if (!enable && [urlProtocolClasses containsObject:protoCls])
        {
            // 拦截完成后移除
            [urlProtocolClasses removeObject:protoCls];
        }
        sessionConfig.protocolClasses = urlProtocolClasses;
    }
    else
    {
        NSLog(@"[OHHTTPStubs] %@ is only available when running on iOS7+/OSX9+. "
              @"Use conditions like 'if ([NSURLSessionConfiguration class])' to only call "
              @"this method if the user is running iOS7+/OSX9+.", NSStringFromSelector(_cmd));
    }
}

3）实现步骤

利用 Objc 运行时 hook 掉 NSURLSessionConfiguration 的 defaultSessionConfiguration 属性和 ephemeralSessionConfiguration 属性设置，然后修改 configuration 的 protocolClassess 属性，插入我们自定义的 Protocol
在自定义的 NSURLProtocol 之类中实现如下方法：
+ canInitWithRequest: 在这里判断当前网络请求是否需要监控，如果不需要直接 return NO 即可。

      + canonicalRequestForRequest:   生成一个新的 request 请求，同时标识该请求已经处理过，防止死循环。

      - startLoading  将新的请求发送出去，设置对应的回调代理。

      - stopLoading   停止网络请求。

 3. 处理请求回调，实现需要进行处理的回调方法，处理完成后通过 self.client.urlProtocol 将回调方法传回至原来的 delegate。

 4. 至此，我们就完成了发送、接收等一系列操作，并且完美的将回调转发回了原来的代理方，剩下的就是我们在回调中收集完了请求的各种信息就好。

流程图如下：

网络拦截前后对比图.png

4）可能存在的问题及优化

流程并不复杂，从上图可以看到，使用了网络拦截之后的流程图比原本的多了一个 custom protocol（DLURLProtocol）和 custom session。custom potocol 用于拦截网络请求，custom session 用于发起新的请求。

这里可能会存在两个问题：

每个请求都会新创建一个 NSURLSession，对于网络请求这种很频繁的操作来说不是很友好；
新创建的 NSURLSession 如何确保超时、缓存、认证、cookies 等策略跟原始的 NSURLSession 保持一致，如果不一致是否会影响到既有的网络请求？

五、风险评估

针对可能存在的问题做相关梳理和验证~

关于第一点：每个请求都会创建一个 NSURLSession 这个很好解决，使用一个单例即可，从苹果的官方Demo CustomHTTPProtocol 中可以看到 Demux 这个类，通过阅读源码知道，该类的存在除了最大化复用 Session 之外，还将请求的发起和回调都放到了这个类进行处理，确保请求发起和回调都是在同一个线程和 Runloop Mode，至于为什么要这么做，文档中没有找到明确说明，不过后面踩坑的时候才发现，如果不这么做的话，在回调里面很容易就会遇到崩溃的情况，尽管你什么都没有做。

至于第二点：新创建的 NSURLSession 是否会影响到原来的网络请求策略？

思考:

根据苹果提供的Demo CustomHTTPProtocol 中可以看到，同样也是通过新创建一个 NSURLSession 发起请求的，那么它难道不会出现超时、缓存、认证等参数和原始请求不一致的情况么？

从逻辑上来说，要么就是要获取原始请求的 session，拿到对应的超时、缓存、认证等配置信息再发起请求；要么就是 Demux 中新创建的 session 对于请求发起方来说是透明的，这种透明包括不影响任何原始请求的参数配置！

针对以上猜想做相关验证：

5.1、超时验证：

验证1：原始请求设置超时为 5s，Demux 设置超时时间为 60s，手机网络设置为100% lost

验证结果：5s 触发超时

`2021``-``03``-``28` `18``:``44``:``11.307007``+``0800` `NSURLProtocolTest[``36460``:``8443172``] start a request...`

`2021``-``03``-``28` `18``:``44``:``16.381879``+``0800` `NSURLProtocolTest[``36460``:``8443172``] Task <CDCBC81D-E0C5-4A52-BDBF-5912AC0BCA32>.<``1``> finished with error [-``1001``] Error Domain=NSURLErrorDomain Code=-``1001` `"The request timed out."` `UserInfo={_kCFStreamErrorCodeKey=-``2102``, NSUnderlyingError=``0x2836d19e0` `{Error Domain=kCFErrorDomainCFNetwork Code=-``1001` `"(null)"` `UserInfo={_kCFStreamErrorCodeKey=-``2102``, _kCFStreamErrorDomainKey=``4``}}, _NSURLErrorFailingURLSessionTaskErrorKey=LocalDataTask <CDCBC81D-E0C5-4A52-BDBF-5912AC0BCA32>.<``1``>, _NSURLErrorRelatedURLSessionTaskErrorKey=(`

`"LocalDataTask <CDCBC81D-E0C5-4A52-BDBF-5912AC0BCA32>.<1>"`

`), NSLocalizedDescription=The request timed out., NSErrorFailingURLStringKey=https:``//www.baidu.com, NSErrorFailingURLKey=[https://www.baidu.com](https://www.baidu.com/), _kCFStreamErrorDomainKey=4}`

验证2：调用发设置超时时间为 60s，Demux 设置超时时间为 5s，手机网络设置为 100% lost

验证结果：60s 触发超时

| 

`2021``-``03``-``28` `19``:``02``:``29.918506``+``0800` `NSURLProtocolTest[``36473``:``8448954``] start a request...`

`2021``-``03``-``28` `19``:``03``:``29.869946``+``0800` `NSURLProtocolTest[``36473``:``8448954``] Task <A533832C-C1E2-48B4-9C73-50447B930141>.<``1``> finished with error [-``1001``] Error Domain=NSURLErrorDomain Code=-``1001` `"The request timed out."` `UserInfo={_kCFStreamErrorCodeKey=-``2102``, NSUnderlyingError=``0x283d144b0` `{Error Domain=kCFErrorDomainCFNetwork Code=-``1001` `"(null)"` `UserInfo={_kCFStreamErrorCodeKey=-``2102``, _kCFStreamErrorDomainKey=``4``}}, _NSURLErrorFailingURLSessionTaskErrorKey=LocalDataTask <A533832C-C1E2-48B4-9C73-50447B930141>.<``1``>, _NSURLErrorRelatedURLSessionTaskErrorKey=(`

`"LocalDataTask <A533832C-C1E2-48B4-9C73-50447B930141>.<1>"`

`), NSLocalizedDescription=The request timed out., NSErrorFailingURLStringKey=https:``//www.baidu.com, NSErrorFailingURLKey=[https://www.baidu.com](https://www.baidu.com/), _kCFStreamErrorDomainKey=4}`

结论：Demux 中新创建的 NSURLSession 超时时间设置不影响到请求发起方。

5.2、缓存验证：

验证1：原始请求设置为不使用缓存 NSURLRequestReloadIgnoringLocalCacheData，Demux 中设置为使用缓存 NSURLRequestReturnCacheDataElseLoad ；通过 charles 抓包确认在收到 completed 的时候是否有真正发起请求。

验证结果：每次点击开始请求按钮的时候， charles 都能抓到请求数据包，且 response code 为 200。

验证2：原始请求设置为使用缓存 NSURLRequestReturnCacheDataElseLoad，Demux 中设置为不使用缓存 NSURLRequestReturnCacheDataElseLoad；通过 charles 抓包确认在收到 completed 的时候是否有真正发起请求。

验证结果：卸载App，首次点击请求按钮的时候可以在 charles 中抓到请求数据包；后面再次点击的时候就没有抓到相关请求数据包了，但却返回到了 completed 回调，且 response code 为 200

结论：Demux 中新创建的 NSURLSession 缓存设置不影响到请求发起方。

Snip20210712_6.png

5.3、认证策略验证：

验证1：由于条件限制，我们这里只做单向验证，即验证服务器证书。在请求方的回调 URLSession: didReceiveChallenge: completionHandler: 回调里面对服务器证书与本地正式的校验，校验通过则返回 completionHandler(NSURLSessionAuthChallengeUseCredential,credential);；然后在 DLURLProtocol 的 URLSession: didReceiveChallenge: completionHandler: 回调中直接设置为校验不通过

completionHandler(NSURLSessionAuthChallengeCancelAuthenticationChallenge, NULL);

验证结果：触发请求方的超时设置！

结论：会影响到请求方，尽管在请求方的 URLSession: didReceiveChallenge: completionHandler:回调里面调用了认证通过的completionHandler，一样会触发超时操作！

规避方法：网络监控所需要的信息采集不涉及到认证这块，可以直接将回调抛给请求方，由请求发起方进行处理。

5.4、耗时验证：

验证1：相隔10ms，异步轮流发起请求分别请求 www.baidu.com 、www.sina.com.cn 和 www.taobao.com 这几个域名，加起来总共请求 100 次，然后计算使用 NSProtocol 和不使用 NSProtocol 的平均耗时。

验证结果：

//有接入：
2021-05-11 00:36:39.112549+0800 NSURLProtocolTest[90129:29124516] baidu, count:26 , avgDuration:324.019181
 
2021-05-11 00:36:39.112666+0800 NSURLProtocolTest[90129:29124516] sina, count:46  avgDuration:553.305805
 
2021-05-11 00:36:39.115587+0800 NSURLProtocolTest[90129:29124516] taobao, count:28  avgDuration:300.874954

//无接入：
 
2021-05-11 00:29:52.958785+0800 NSURLProtocolTest[90066:29117542] baidu, count:35 , avgDuration:306.175676
 
2021-05-11 00:29:52.958941+0800 NSURLProtocolTest[90066:29117542] sina, count:29  avgDuration:321.528200
 
2021-05-11 00:29:52.959113+0800 NSURLProtocolTest[90066:29117542] taobao, count:36  avgDuration:297.670796

结论：除去网络波动影响，耗时基本相近。
详细日志：(存放在百度网盘上面的网络监控文件夹)

六、参考链接

URL Session Programming Guide

CustomHTTPProtocol