不得不面對的Web QoS

2019-11-04 12:27:39

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　　不得不面對的Web QoS

伴隨著網絡QoS技術研究和應用的不斷深入，近期，一種面向Web客戶和HTTP請求提供性能保證及服務區分的技術——Web QoS應運而生，并且在國際上得到越來越多的學者和業界商家的矚目，成為QoS技術的一個新的研究領域和重要的學術分支。

QoS（Quality of Service, 服務質量）控制技術作為下一代網絡的核心技術之一，多年來一直是計算機網絡和多媒體通信領域研究與開發的熱點問題。一般而言，QoS是指網絡在傳輸數據流時要求滿足的一系列服務請求，強調端到端或網絡邊界到邊界的整體性，具體可以量化為帶寬、延遲、延遲抖動、丟失率、吞吐量等性能指標。QoS控制技術的基本目標是為Internet應用提供性能保證和服務區分。為此，IETF(Internet Engineering Task Force)已經提出了兩種不同的Internet QoS體系結構，即綜合服務（Integrated Services, IntServ）和區分服務（Differentiated Services, DiffServ）。截至目前，QoS技術的研究和開發都進展得非常迅速，并且已經取得了許多基本成果。

事實上，Web QoS概念的提出反映了當今Web應用和電子商務應用對于QoS控制的迫切需求，可以說，Web QoS技術的出現是Web應用和電子商務應用飛速發展的必然結果。

由于計算機網絡和多媒體技術的迅猛發展，Internet上的Web應用一直呈現爆炸性增長趨勢。目前，Web流量在Internet總流量中所占的比例已經超過了60%，成為Internet上信息傳輸的主流。由于HTTP請求的指數性增長，Internet上的許多熱門站點都經常面臨著服務器超載問題。通常，人們期望的Web站點的理想響應時間為1秒，這與人類的響應時間大體相當。研究表明，普通的Web用戶通常不會忍受超過8～10秒的等待時間。而根據Zona研究中心的統計，一個電子商務網站必須保證其Web用戶在7秒內得到響應，否則將損失30％或者更多的客戶。具體而言，Web服務請求的響應時間主要由兩個因素決定：網絡傳輸的質量和Web服務器的處理性能。近年來，網絡傳輸的QoS技術研究已經十分活躍，包括通過建立IntServ和DiffServ體系結構來提供性能保證和服務區分。然而，假如Web服務器不支持任何QoS控制，那么，在服務器過載的情況下，具備端到端網絡QoS保證的高級流仍有可能遭受服務拒絕，或者Web服務的平均響應時間比用戶的期望值高出多個數量級，從而導致事實上的“拒絕服務”效果。據估計，僅在美國的電子商務市場，慢的通信速度、延遲的響應時間、頻繁的連接中斷等問題已經導致了每年大約400億美元的銷售損失。由此可見，由于服務器的超載問題，Web服務器已經在某種程度上成為實現端到端QoS的瓶頸。因此，如何實現Web系統的QoS控制，為用戶提供滿足的服務性能保證，已經成為一個迫切需要解決的問題。

更重要的是，伴隨著電子商務應用的發展，Internet的服務模式正由傳統的數據通信與信息瀏覽向電子交易與服務轉變，這種變化使Web服務器以及Web服務器系統成為支持電子商務的核心設施。現在，企業和服務提供商都越來越崇尚將重要的服務轉移到Web上去，例如，在線銀行、股票交易、網上預訂、網上購物等，都是目前流行的通過Web前端提供的電子交易與服務的形式。與傳統的TCP/ip和HTTP服務的平均主義哲學不同，電子商務應用通常要求對用戶或服務進行區分優先級別的處理，這是因為所有的Web事務對客戶或服務器而言不可能都同等重要。例如，對客戶而言，進行在線股票投資交易的HTTP請求顯然要比簡單的瀏覽或下載請求更加緊要，因此，需要更加嚴格的實時性能保證；對Web服務器而言，它需要為付費的用戶提供比免費用戶更好的服務級別。隨著Web應用資源需求的不斷增加，電子商務類增值服務迫切要求為其提供基于利潤收益的有競爭力的區分服務，而不應該再遵循傳統的“盡力而為（best-effort）”的服務規范。因此，如何在Web服務器和Web服務器系統中為不同類型的用戶或請求提供區分的、而非“一視同仁”的Web QoS，已經成為支持電子商務的一個至關重要的問題。

如何引入Web QoS機制？

然而，目前通用的Web服務器尚未支持Web QoS機制，無法為Web應用提供服務區分和性能保證。如何在Web服務器及其系統中引入和實現QoS控制的機制與策略，從而滿足不斷增長的Web性能需求，為不同類型的用戶或請求提供服務區分和性能保證，這是目前Web發展迫切需要解決的問題，也是實現下一代網絡QoS控制技術不可或缺的要害環節。

現代Web服務器都是根據Internet盡力而為（best-effort）的服務模型平等地處理所有到來的請求；大多數Unix內核的Web服務器采用FIFO（First-In-First-Out）的調度策略，在超載的情況下不加區別地丟棄高優先級的請求分組，使通過IntServ和DiffServ等Internet QoS機制實現的性能改進受到嚴重損害。因此，僅靠網絡QoS機制并不能完全解決端到端的QoS控制問題，Web服務器作為端到端網絡中不可缺少的一個重要環節，必須同樣具備建立和支持QoS的機制與策略。

Web QoS屬于應用層的QoS，它量度的是用戶在與Web站點進行交互時所感受到的服務性能。例如，下載時間、交易時間（如銀行結算、股票交易、網上購物等）、服務器的可用性、碰到的錯誤（如失敗的連接、丟失的頁面或組件、中斷的鏈路、交易失敗），等等。由于Web基礎設施的復雜性，影響Web QoS的因素有許多。實際上，Web QoS控制技術涉及到構成Web的每一個元素，從網絡技術和協議到Web服務器（以及代理服務器）的硬件、軟件（包括服務器應用軟件、操作系統以及中間件）體系結構等。由于大多數Web基礎設施的組件通常都無法輕易進行控制，因此，實現Web QoS并非輕易。相對而言，網絡通信公司對其主干網具有完全的控制能力，因而能夠向其客戶提供基于網絡可用性和保證網絡響應時間的服務水平協議。而Web服務供給商則無法提供類似的服務保證契約，因為他們只能對Web基礎設施的一小部分進行處理和操作。

概括地講，Web服務供給商可以實施的Web系統解決方案大體可以分為以下兩類：

（1）區分的Web服務機制與策略

主要方法定義用戶或服務請求的類別，確定優先級的數目，利用基于優先級的請求分配策略和資源監控與調度機制來保證不同的服務水平協議。

（2）Web服務器系統體系結構設計

目標找到能夠向所有的Web用戶或請求提供服務水平協議保證的正確的Web服務器系統體系結構。包括三個方面:通過增加內存和CPU來擴大單個Web服務器的處理能力；在局域范圍內通過復制服務器內容建立Web服務器集群來增強本地處理能力；在地理上廣域分布的范圍內，通過復制服務器集群來擴大全局處理能力。

實際上，上述兩個方面也是當前Web QoS控制技術研究的兩個主要切入點。具體地講，當前Web QoS技術的研究方向主要有：

● Web服務器應用軟件的QoS支持技術；

● 操作系統的Web QoS支持技術；

● 中間件的Web QoS支持技術；

● Web服務器集群系統中的QoS支持技術；

● Web QoS控制策略和算法的性能分析與評價技術。

目前，國際上Web QoS控制技術的研究已經越來越多地受到網絡研究者和聞名公司的重視。許多聞名的國際會議，如International Workshop on Quality of Service（IWQoS）、International World Wide Web Conference等，都已經開始將Web QoS列為一個重要的會議議題。HP公司已經推出了在Web服務器中支持QoS控制機制的名為“WebQoS”的服務質量軟件，同時還與Cisco公司結成戰略同盟，聯手推出面向Web服務器集群系統的Web QoS總體解決方案。IBM公司也推出了支持Web QoS控制機制的名為“WebSphere”的軟件平臺。此外，許多生產第七層交換機的公司也不斷推出能夠在服務器集群環境中支持基于QoS的負載均衡的硬件產品。但是，目前國內還很少見到關于Web QoS的研究論文，這方面的產品和專利技術也基本上屬于空白。因此，緊密跟蹤國際上QoS領域的技術前沿，積極開展Web QoS技術方面的研究與開發，是擺在我國科研工作者和企業面前的一項緊要任務。

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