DNS如何優(yōu)化-百度APP移動端網(wǎng)絡(luò)深度優(yōu)化分享

本文由百度技術(shù)團隊“蔡銳”原創(chuàng)發(fā)表于“百度App技術(shù)”公眾號，原題為《百度App網(wǎng)絡(luò)深度優(yōu)化系列《一》DNS優(yōu)化》，感謝原作者的無私分享。

本系列文章目錄如下：

《百度APP移動端網(wǎng)絡(luò)深度優(yōu)化實踐分享(一)：DNS優(yōu)化篇》（* 本文）

《百度APP移動端網(wǎng)絡(luò)深度優(yōu)化實踐分享(二)：網(wǎng)絡(luò)連接優(yōu)化篇》

《百度APP移動端網(wǎng)絡(luò)深度優(yōu)化實踐分享(三)：移動端弱網(wǎng)優(yōu)化篇》

希望對大家在網(wǎng)絡(luò)方向的學(xué)習(xí)和實踐有所幫助。

百度起家于搜索，整個公司的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和部署都是基于標準的internet協(xié)議，目前已經(jīng)是全棧HTTPS，來到移動互聯(lián)網(wǎng)時代后，總的基礎(chǔ)架構(gòu)不變，但在客戶端上需要做很多優(yōu)化工作。

DNS（Domain Name System），它的作用是根據(jù)域名查出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流程才能進行，所以一般做網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化會選優(yōu)化DNS。

（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-2472-1-1.html）

域名

系統(tǒng)》

《全面了解移動端DNS域名劫持等雜癥：技術(shù)原理、問題根源、解決方案等》

《美圖App的移動端DNS優(yōu)化實踐：HTTPS請求耗時減小近半》

《現(xiàn)代移動端網(wǎng)絡(luò)短連接的優(yōu)化手段總結(jié)：請求速度、弱網(wǎng)適應(yīng)、安全保障》

《移動端IM開發(fā)者必讀(一)：通俗易懂，理解移動網(wǎng)絡(luò)的“弱”和“慢”》

《移動端IM開發(fā)者必讀(二)：史上最全移動弱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法總結(jié)》

DNS優(yōu)化核心需要解決的問題有兩點：

1）由于DNS劫持或故障造成的服務(wù)不可用，進而影響用戶體驗，影響公司的收入；

2）由于DNS調(diào)度不準確導(dǎo)致的性能退化，進而影響用戶體驗。

百度App承載著億級流量，每年都會遇到運營商DNS劫持或運營商DNS故障，整體影響非常不好，所以DNS優(yōu)化刻不容緩，通過下圖會更直觀的了解運營商劫持或故障的原理。

▲ 運營商劫持或故障的原理

有關(guān)移動端DNS劫持等各種疑難雜癥，詳見文章《全面了解移動端DNS域名劫持等雜癥：技術(shù)原理、問題根源、解決方案等》。

4.1 概述

既然我們面臨這么嚴峻的問題，那么我們?nèi)绾蝺?yōu)化DNS呢？答案就是HTTPDNS。

大部分標準DNS都是基于UDP與DNS服務(wù)器交互的，HTTPDNS則是利用HTTP協(xié)議與DNS服務(wù)器交互，繞開了運營商的Local DNS服務(wù)，有效防止了域名劫持，提高域名解析效率，下圖是HTTPDNS的原理。

▲ HTTPDNS原理

百度App HTTPDNS端上的實現(xiàn)是基于百度SYS團隊的HTTPDNS服務(wù)，下圖介紹了HTTPDNS的服務(wù)端部署結(jié)構(gòu)。

▲ HTTPDNS部署結(jié)構(gòu)

HTTPDNS服務(wù)是基于BGP接入的，BGP英文Border Gateway Protocol，即邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，是一種在自治系統(tǒng)之間動態(tài)的交換路由信息的路由協(xié)議，BGP可以根據(jù)當前用戶的運營商路由到百度服務(wù)點的對應(yīng)集群上，對于第三方域名，服務(wù)點會通過百度部署在運營商的CDN節(jié)點向其他域名權(quán)威DNS發(fā)起查詢，查詢這個運營商下域名的最優(yōu)IP。

百度App獨立實現(xiàn)了端的HTTPDNS SDK，下圖介紹了端HTTPDNS的整體架構(gòu)。

▲ 端HTTPDNS的整體架構(gòu)

更多HTTPDNS的資料，請見：《全面了解移動端DNS域名劫持等雜癥：技術(shù)原理、問題根源、解決方案等》、《美圖App的移動端DNS優(yōu)化實踐：HTTPS請求耗時減小近半》。

4.2 DNS接口層

DNS接口層解決的問題是屏蔽底層的細節(jié)，對外提供簡單整潔的API，降低使用者的上手成本，提高開發(fā)效率。

4.3 DNS策略層

DNS策略層通過多種策略的組合，使HTTPDNS服務(wù)在性能，穩(wěn)定性，可用性上均保持較高的水準，下面講解下每個策略設(shè)計的初衷和具體實現(xiàn)。

【4.3.1 容災(zāi)策略】：

這是一個非常關(guān)鍵的策略，主要解決HTTPDNS服務(wù)可用性的問題，實踐證明，這個策略幫助百度App在異常情況下挽救回很多流量。

（1）當HTTPDNS服務(wù)不可用并且本地也沒有緩存或者緩存失效的時候，會觸發(fā)降級策略，降級成運營商的localDNS方案，雖然存在運營商事故或者劫持的風(fēng)險，但保障了DNS服務(wù)的可用性。

（2）當HTTPDNS服務(wù)和localDNS服務(wù)雙雙不可用的情況下，會觸發(fā)backup策略，使用端上的backup IP。

什么是backup IP？backup IP是多組根據(jù)域名分類的IP列表，可云端動態(tài)更新，方便后續(xù)運維同學(xué)調(diào)整服務(wù)端的節(jié)點IP，不是所有域名都有對應(yīng)的backup IP列表，目前百度App只能保證核心域名的可用性。

既然是一組IP，便有選取問題，backup IP選取機制是怎樣的呢？我們的中心思想就是要在端上利用最小的代價，并且考慮服務(wù)端的負載均衡，得到相對正確或者合理的選取結(jié)果。通過運營商和地理信息，可以選擇一個相對較優(yōu)的IP，但獲取地理信息需要很大耗時，外加頻次很高，代價很大，所以我們選擇了RR算法來代替上面的方法（RR算法是Round-Robin，輪詢調(diào)度），這樣客戶端的代價降低到最小，服務(wù)端也實現(xiàn)了負載均衡。

【4.3.2 安全策略】：

（1）HTTPDNS解決的核心問題就是安全，標準的DNS查詢大部分是基于UDP的，但也有基于TCP的，如果UDP被封禁，就需要使用TCP。不管是UDP還是TCP，安全性都是沒有保障的，HTTPDNS查詢是基于標準的HTTP協(xié)議，為了保證安全我們會在HTTP上加一層TLS（安全傳輸層協(xié)議），這便是HTTPS；

（2）解決了傳輸層協(xié)議的安全性后，我們要解決下域名解析的問題，上面我們提到HTTPDNS服務(wù)是基于BGP接入的，在端上采用VIP方式請求HTTPDNS數(shù)據(jù)（VIP即Virtual IP，VIP并沒有與某設(shè)備存在必定的綁定關(guān)系，會跟隨主備切換之類的情況發(fā)生而變換，VIP提供的服務(wù)是對應(yīng)到某一臺或若干臺服務(wù)器的），既然請求原始數(shù)據(jù)需要使用IP直連的方式，那么就擺脫了運營商localDNS的解析限制，這樣即使運營商出現(xiàn)了故障或者被劫持，都不會影響百度App的可用性。

【4.3.3 任務(wù)調(diào)度策略】：

HTTPDNS服務(wù)提供了兩類HTTP接口，用于請求最優(yōu)域名結(jié)果。第一種是多域名接口，針對不同的產(chǎn)品線，下發(fā)產(chǎn)品線配置的域名，第二種是單域名接口，只返回你要查詢的那個域名結(jié)果，這樣的設(shè)計和標準的DNS查詢基本是一樣的，只不過是從UDP協(xié)議變成了HTTP協(xié)議。

（1）多域名接口會在App冷啟動和網(wǎng)絡(luò)切換的時候請求一次，目的是在App的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境初始化或者變化的時候預(yù)先獲取域名結(jié)果，這樣也會減少單域名接口的請求次數(shù)。

（2）單域名接口會在本地cache過期后，由用戶的操作觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)請求，進而做一次單域名請求，用戶這次操作的DNS結(jié)果會降級成localDNS的結(jié)果，但在沒有過期的情況下，下次會返回HTTPDNS的結(jié)果。

【4.3.4 IP選取策略】：

IP選取策略解決的核心問題是最優(yōu)IP的選取，避免因為接入點的選取錯誤造成的跨運營商耗時。HTTPDNS服務(wù)會將最優(yōu)IP按照順序下發(fā)，客戶端默認選取第一個，這里沒有做客戶端的連通性校驗的原因，主要還是擔心端上的性能問題，不過有容災(zāi)策略兜底，綜合評估還是可以接受的。

【4.3.5 緩存策略】：

大家對于DNS緩存并不陌生，它主要是為了提升訪問效率，操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)庫等都會做DNS緩存。

DNS緩存中一個重要的概念就是TTL（Time-To-Live），在localDNS中針對不同的域名，TTL的時間是不一樣的，在HTTPDNS中這個值由服務(wù)端動態(tài)下發(fā)，百度App目前所有的域名TTL的配置是5分鐘，過期后如果沒有新的IP將繼續(xù)沿用老的IP，當然也可以選擇不沿用老的IP，而降級成localDNS的IP，那么這就取決于localDNS對于過期IP的處理。

【4.3.6 命中率策略】：

如果HTTPDNS的命中率是100%，在保證HTTPDNS服務(wù)穩(wěn)定高效的前提下，我們就可以做到防劫持，提升精準調(diào)度的能力。

（1）為了提升HTTPDNS的命中率，我們選擇使用多域名接口，在冷啟動和網(wǎng)絡(luò)切換的時候，批量拉取域名結(jié)果并緩存在本地，便于接下來的請求使用。

（2）為了再一次提升HTTPDNS的命中率，當用戶操作觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)請求，獲取域名對應(yīng)的IP時，會提前進行本地過期時間判斷，時間是60s，如果過期，會發(fā)起單域名的請求并緩存起來，這樣會持續(xù)延長域名結(jié)果的過期時間。本地過期時間與上面提到的TTL是客戶端和服務(wù)端的雙重過期時間，目的是在異常情況下可以雙重保證過期時間的準確性。

4.4 基礎(chǔ)能力層

基礎(chǔ)能力層主要提供給DNS策略層所需要的基礎(chǔ)能力，包括IPv4/IPv6協(xié)議棧探測的能力，數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，緩存實現(xiàn)的能力，下面將講解每種能力的具體實現(xiàn)。

【4.4.1 IPv4/IPv6協(xié)議棧探測】：

百度App的IPv6改造正在如火如荼的進行中，端上在HTTPDNS的IP選取上如何知道目前屬于哪個協(xié)議棧成為關(guān)鍵性問題，并且這種判斷要求性能極高，因為IP選取的頻次實在是太高了。

我們選取的方案是UDP Connect，那么何為UDP Connect？

大家都知道TCP是面向連接的，傳輸數(shù)據(jù)前客戶端都要調(diào)用connect方法通過三次握手建立連接，UDP是面向無連接的，無需建立連接便能收發(fā)數(shù)據(jù)，但是如果我們調(diào)用了UDP的connect方法會發(fā)生什么呢？當我們調(diào)用UDP的connect方法時，系統(tǒng)會檢測其端口是否可用，地址是否正確，然后記錄對端的IP地址和端口號，返回給調(diào)用者，所以UDP Connect不會像TCP Connect發(fā)起三次握手，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)真實損耗，UDP客戶端只有調(diào)用send或者sendto方法后才會真正發(fā)起真實網(wǎng)絡(luò)損耗。

▲ UDP Connect原理

有了UDP Connect的基礎(chǔ)保障，我們在上層做了緩存機制，用來減少系統(tǒng)調(diào)用的損耗，時機上目前僅在冷啟動和網(wǎng)絡(luò)切換會觸發(fā)探測，在同一種網(wǎng)絡(luò)制式下探測一次基本可以確保當前網(wǎng)絡(luò)是IPv4棧還是IPv6棧。

目前百度App客戶端對于IPv4/IPv6雙棧的策略是保守的，僅在IPv6-only的情況下使用v6的IP，其余使用的都是v4的IP，雙棧下的方案后續(xù)需要優(yōu)化，業(yè)內(nèi)目前標準的做法是happy eyeball算法。

什么叫happy eyeball呢？

就是不會因為IPv4或IPv6的故障問題，導(dǎo)致用戶的眼球一直在等待加載或者出錯，這就是happy eyeball名字的由來。happy eyeball有v1版本RFC6555和v2版本RFC8305，前者是Cisco提出來的，后者是蘋果提出來的。happy eyeball解決的核心問題是，復(fù)雜環(huán)境下v4和v6 IP選取的問題，它是一套整體解決方案，對于域名查詢的處理，地址的排序，連接的嘗試等方面均做出了規(guī)定，感興趣的同學(xué)可以查看參考資料里的【5】和【6】。

【4.4.2 數(shù)據(jù)傳輸】：

數(shù)據(jù)傳輸主要提供網(wǎng)絡(luò)請求的能力和數(shù)據(jù)解析的能力。

（1）網(wǎng)絡(luò)請求失敗重試的機制，獲取HTTPDNS結(jié)果的成功率會大大影響HTTPDNS的命中率，所以客戶端會有一個三次重試的機制，保障成功率。

（2）數(shù)據(jù)解析異常的機制，如果獲取的HTTPDNS的結(jié)果存在異常，將不會覆蓋端上的緩存。

【4.4.3 緩存實現(xiàn)】：

緩存的實現(xiàn)基本可以分為磁盤緩存和內(nèi)存緩存，對于HTTPDNS的緩存場景，我們是選其一還是都選擇呢？

百度App選擇的是內(nèi)存緩存，目的是防止我們自己的服務(wù)出現(xiàn)問題，運維同學(xué)在緊急情況下切換流量，如果做了磁盤緩存，會導(dǎo)致百度App在重啟后也可能不可用，但這種問題會導(dǎo)致APP在冷啟動期間，HTTPDNS結(jié)果未返回前，還是存在故障或者劫持的風(fēng)險，綜合評估來看可以接受，如果出現(xiàn)這種極端情況，影響的是冷啟動階段的一些請求，但只要HTTPDNS結(jié)果返回后便會恢復(fù)正常。

HTTPDNS在Android網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的位置及實踐：

百度App的Android網(wǎng)絡(luò)流量都在okhttp之上，上層進行了網(wǎng)絡(luò)門面的封裝，封裝內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)和對外友好的API，供各個業(yè)務(wù)和基礎(chǔ)模塊使用，在okhttp上我們擴展了DNS模塊，使用HTTPDNS替換了原有的系統(tǒng)DNS。

▲ HTTPDNS在Android網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的位置

HTTPDNS在iOS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的位置及實踐：

百度App的iOS網(wǎng)絡(luò)流量都在cronet（chromium的net模塊）之上，上層我們使用AOP的方式將cronet stack注入進URLSession里，這樣我們就可以直接使用URLSession的API進行網(wǎng)絡(luò)的操作而且更易于系統(tǒng)維護。

在上層封裝了網(wǎng)絡(luò)門面，供各個業(yè)務(wù)和基礎(chǔ)模塊使用，在cronet內(nèi)部我們修改了DNS模塊，除了原有的系統(tǒng)DNS邏輯外，還添加了HTTPDNS的邏輯。

iOS上還有一部分流量是在原生URLSession上，主要是有些第三方業(yè)務(wù)沒有使用cronet但還想單獨使用HTTPDNS的能力，所以就有了下面的HTTPDNS封裝層，方法是在上層直接將域名替換成IP，域名對于底層很多機制是至關(guān)重要的，比如https校驗，cookie，重定向，SNI（Server Name Indication）等，所以將域名修改成了IP直連后，我們又處理了以上三種情況，保證請求的可用性。

▲ HTTPDNS在iOS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的位置

DNS優(yōu)化的收益主要有兩點：

1）防止DNS的劫持（在出問題時顯得尤為重要）；

2）降低網(wǎng)絡(luò)時延（在調(diào)度不準確的情況下，會增大網(wǎng)絡(luò)的時延，降低用戶的體驗）。

這兩點收益需要結(jié)合業(yè)務(wù)來說，以百度App Feed業(yè)務(wù)為例：

1）第一點上我們?nèi)〉昧吮容^大的效果，iOS劫持率由0.12%降低到0.0002%，Android劫持率由0.25%降低到0.05%；

2）第二點的收益不明顯，原因在于Feed業(yè)務(wù)主要目標群體在國內(nèi)，百度在國內(nèi)節(jié)點布局相對豐富，服務(wù)整體質(zhì)量也較高，即使出現(xiàn)調(diào)度不準確的情況，差值也不會太大，但如果在國外情況可能會差很多。

1）基礎(chǔ)知識要了解學(xué)習(xí)，要夯實：網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的內(nèi)容很多，很雜，不易學(xué)習(xí)，啃過IETF發(fā)布的RFC的同學(xué)應(yīng)該深有感觸。

2）學(xué)會將看不見的網(wǎng)絡(luò)變成看得見的：很多自認為對于網(wǎng)絡(luò)很了解的同學(xué)，動不動就背誦tcp協(xié)議原理，擁塞控制算法，滑動窗口大小等，但真正遇到線上問題，無從下手。對于客戶端同學(xué)，我們在PC上要學(xué)會使用tcpdump和Wireshark等工具，適當使用Fiddler和Charles等工具，很多時候電腦和手機的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不見得一致，所以要在手機上使用iNetTools，Ping&DNS或終端工具。學(xué)會使用工具后，要學(xué)著創(chuàng)造不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，有很多工具能幫助你完成這點，比如蘋果的Network Link Conditioner，F(xiàn)aceBook的ATC（Augmented Traffic Control）等。具備以上兩個場景后，你的第一條儲備就發(fā)揮了作用，你要能看懂握手過程，傳輸過程，異常斷開過程等。

3）有了以上兩點的準備，接下來需要一個會出現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)問題的平臺，給你積累經(jīng)驗，讓一個個高壓下的線上問題錘煉你，折磨你。

4）網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是需要數(shù)據(jù)支撐的：但數(shù)據(jù)的采集和分析是需要經(jīng)驗的，有些數(shù)據(jù)一眼看下去就是不靠譜的，有些數(shù)據(jù)怎么分析都是負向收益的，一般來說是有三重奏來對數(shù)據(jù)進行分析的，一，線下數(shù)據(jù)的采集和分析，得出正向收益，二，灰度數(shù)據(jù)的采集和分析，得出正向收益，三，線上數(shù)據(jù)的采集和分析，得出正向收益。

5）數(shù)據(jù)的正向收益，不能完全證明提升了用戶的體驗，所以很多時候需要針對特定場景，特定case來分析和優(yōu)化，就算是大家公認做的很好的微信，也不是在所有場景下都能保證體驗上的好。

[1] https://chromium.googlesource.com/chromium/src/+/HEAD/docs/android_build_instructions.md

[2] https://chromium.googlesource.com/chromium/src/+/HEAD/docs/ios/build_instructions.md

[3] https://github.com/Tencent/mars

[4] https://tools.ietf.org/html/rfc7858

[5] https://tools.ietf.org/html/rfc6555

[6] https://tools.ietf.org/html/rfc8305

（原文鏈接：點此進入）

《TCP/IP詳解 - 第11章·UDP：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議》

《TCP/IP詳解 - 第17章·TCP：傳輸控制協(xié)議》

《TCP/IP詳解 - 第18章·TCP連接的建立與終止》

《TCP/IP詳解 - 第21章·TCP的超時與重傳》

《技術(shù)往事：改變世界的TCP/IP協(xié)議（珍貴多圖、手機慎點）》

《通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議（上）：理論基礎(chǔ)》

《通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議（下）：RTT、滑動窗口、擁塞處理》

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《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(一)：淺析TCP協(xié)議中的疑難雜癥(上篇)》

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《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(三)：關(guān)閉TCP連接時為什么會TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》

《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(四)：深入研究分析TCP的異常關(guān)閉》

《不為人知的網(wǎng)絡(luò)編程(五)：UDP的連接性和負載均衡》

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