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无线Web服务器的性能问题
Guangwei Bai Kehinde Oladosu Carey Williamson
Department of Computer Science, University of Calgary, Calgary, AB, CANADA
摘要
本文研究了无线Web服务器在短生命周期的ad hoc网络环境中的性能。实验是在一个IEEE 802.11b 的无线局域网上进行的，我们使用一个支持无线的Apache Web服务、几个无线客户端和一个无线网络分析器。实验重点研究了无线局域网中可实现的HTTP事务速率和端到端吞吐量，以及Web对象大小、客户端数量和持续HTTP连接的影响。结果表明，无线网络的瓶颈导致了HTTP性能浪费、客户端数据包丢失、服务器端数据包丢失和网络波动。持续的HTTP连接将HTTP事务速率和用户级吞吐量提高了350%。
关键词：网络性能；网络流量测量；IEEE 802.11b无线局域网；Ad hoc网络
- 简介
万维网和无线网络是两种激动人心且非常流行的互联网技术。Web通过其TCP/IP协议栈和分层的原理，使Internet向大众开放。无线技术将用户从物理线路的束缚中解放出来，使人们对网络的思考方式发生了巨变。无线网络使移动网络的“任何东西，任何时间，任何地点”的承诺更加接近。
无线互联网发展的下一步是这些技术的融合，以实现教室、办公室和家庭中的“无线网络”。特别是，允许Web客户端成为移动（即无线网络接口）的相同技术也支持部署无线Web服务器。
无线Web服务器在短期网络中扮演着重要的角色。短期（或便携）网络是在特定位置以ad hoc方式创建的，以响应某些事件（计划的或非计划的）。该网络在被拆卸、移动和重组到其他地方之前，运行了一段短时间（几分钟到几小时）。
便携式短期网络有几个显著的特点。通常，所需网络的位置不是先验的。在所需位置可能没有任何现有的网络基础设施，无论是有线还是无线。部署可能需要是自发的，有着未知（但通常是有限制的）的运行持续时间。用户数量通常很小（如10-100），带宽需求不大，地理覆盖范围有限。需要在网络站点进行数据传播或数据收集，通常需要一组“封闭”的专门内容，而不是一般的互联网内容。
对于短期网络的部署方案的示例包括体育活动、新闻发布会、会议和贸易展览、灾难恢复站点和教室区域网络。娱乐应用（如流媒体、家庭网络、多玩家游戏）的潜力也很大。在许多这种情况下，以无线Web服务器作为信息存储库的ad hoc无线网络提供了一个合适的解决方案。
本文研究了在教室区域网络中无线Web服务器的可行性。我们首先展示在教室环境中使用无线Web服务器利用率的测量结果，然后通过实验室测试来实验确定可实现性能的上限。特别是，我们关注的是运行在带有IEEE 802.11b WLAN接口的笔记本电脑上的Apache Web服务器的性能。我们研究如何为无线Web客户端构建Web性能。所有移动计算机都是以ad hoc方式配置的；假定没有现有的网络基础设施。客户端从无线Web服务器下载内容。从实验中，无线网络分析仪用于收集和分析记录，流量分析涵盖了从媒体访问控制（MAC）层到应用层的HTTP。
我们的实验集中于在ad hoc无线网络环境中可实现的HTTP事务处理速率和端到端吞吐量，和客户端数量、Web对象大小和持续HTTP连接等因素的影响。结果显示了无线网络瓶颈对客户端或服务器的影响，具体取决于Web工作量。持续HTTP连接大大提高了移动客户端从无线Web服务器访问内容的性能。
本文的其余部分安排如下。第2部分介绍了有关IEEE 802.11b、TCP和HTTP的背景信息。第3部分介绍了我们研究的课堂测量。第4部分介绍了基于实验室测量的实验方法。第5部分介绍了测量结果和分析。最后，第6部分对论文进行了总结。
- 背景及相关工作
2.1. 网络与网络性能
Web主要依赖于三种通信工具：IP、TCP和HTTP。Internet协议（IP）是一种无连接的网络层协议，它在因特网上提供全局寻址和路由。传输控制协议（TCP）是一种面向连接的传输层协议，它提供通过互联网的端到端数据传输[1]。在其众多功能中，TCP具有流控制、拥塞控制和错误恢复机制，以提供可靠的源和目标之间的数据传输。TCP的鲁棒性允许它在许多网络环境中运行。最后，超文本传输协议（HTTP）是一个在TCP之上的请求响应应用层协议。HTTP用于在Web服务器和Web客户端之间传输Web文档。目前，HTTP/1.0[2]和HTTP/1.1[3]在互联网上得到了广泛的应用。
总体Web性能取决于Web客户机、Web服务器以及两者之间的网络。在ad hoc网络中主要挑战是无线信道，它具有带宽有限、高错误率和来自其他用户的干扰。问题是无线网络上的TCP和HTTP性能可能会降低。
2.2. 无线互联网和IEEE 802.11b 无线局域网
无线技术在全球互联网基础设施中扮演着越来越重要的角色。在无线局域网市场上流行的技术之一是IEEE 802.11b标准。这种“WiFi”（无线保真度）技术为最终用户提供低成本的无线互联网能力，在物理层的数据传输速率高达11Mbps。IEEE 802.11b标准定义了MAC层使用的信道访问协议，即带有冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）。它还定义了在数据链路层使用的帧格式：128位前导码、16位帧分隔符起始、48位PLCP（物理层聚合协议）报头、随后是24字节MAC层报头和可变大小的有效载荷，这些可用于承载IP包。在 ad hoc模式下，帧通过帧头中相应的MAC地址从发送方直接寻址到预期的接收方。通过共享无线信道，接收器立即确认正确接收的帧。未确认的帧在超时（几毫秒）后由发送方使用相同的MAC协议重新传输。
2.3. 相关工作
关于无线网络上的无线流量测量和互联网协议性能的文献越来越多[4，5，6，7，8，9]。例如，Tang和Baker[8，9]讨论了两种不同环境下的无线网络测量：城域网和局域网。最近，Balachandran等人。[4] 2001年在圣地亚哥举行的ACM SIGCOMM会议期间，就数百名无线局域网用户的网络性能和一般互联网接入用户行为作报告。他们发现，对于这组懂技术的用户来说，他们使用了广泛的互联网应用程序，用户行为多样，总体带宽需求适中。Kotz和Essein[10]描述了达特茅斯学院校园无线网络使用的特点，即使用接入点的基础设施模式。我们的工作与这些不同，因为我们将无线Web服务器和无线Web客户端同时考虑在同一无线LAN中[11，12]。我们认为我们的论文是第一个考虑部署在短期的“便携式”IEEE 802.11b无线ad hoc网络中的无线Web服务器。
- 无线教室测量
2003年1月，合著者之一（威廉森）在既没有有线也没有无线互联网接入的“传统课堂”环境中教授研究生级网络课程。由于大部分课程内容都是在线提供的（www.cpsc.ucalgary.ca/tilde;carey/CPSC601.38/archive/2003/），我们创建了课程内容的镜像副本，并让它可以在教室中使用无线网络服务器。该原型于2003年2月在课堂上进行了现场测试（在无线网络和网络流量测量课程模块中）。为学生提供了在教室使用无线笔记本电脑和PDA。
图1显示了从教室环境中选择的网络流量测量。在对实验设备进行简要描述之后，14名学生（共享8台笔记本电脑和2台掌上电脑）可以下载课程内容，复习先前的课堂笔记，并开始准备课程作业（包括一个6 MB的跟踪文件）。图1中的图表显示了教室中25分钟的无线网络活动。
图1（a）显示了跟踪期间每秒传输的TCP/IP数据包总数。流量拥挤，峰均比很高。峰值流量接近每秒700包。达到的峰值数据速率约为5.0 Mbps。这种用户级吞吐量是典型的IEEE 802.11b WLAN。
图1（b）显示了观察到的IP数据包大小的频率分布。该分布有两个主要峰值：一个峰值为1500字节用于全尺寸TCP/IP数据包，另一个峰值为40字节用于TCP确认（ACKs）。ACKs的峰值较低，因为TCP延迟确认，这通常导致每接收到两个TCP数据包就发送一个TCP ACK。
图1（c）显示了WLAN上数据包的交互时间分布。左侧的高峰值反映了TCP ACK和下一个TCP数据包之间的到达时间。更宽的驼峰表示TCP数据包之间的特有的时间间隔。由于IEEE 802.11b中CSMA/CA-MAC协议的性质，这种分布存在明显的分散性。
我们在课堂环境中的测量实验带来了以下研究问题：
bull;在教室区域网络中，无线网络服务器可以处理的最大工作负载是多少？
bull;无线瓶颈如何显现？
论文的其余部分将讨论这些问题。
- 实验方法
4.1. 实验装置
我们在实验室的IEEE 802.11b无线局域网上进行了标杆实验。简单的测试台（如图2所示）由几个移动客户端和一个Web服务器组成。另外，我们使用无线网络分析器来监控无线信道。
每台客户机和服务器计算机都是康柏Evo笔记本N600c，运行RedHat Linux 7.3和X windows，使用1.2 GHz英特尔奔腾III移动版。在进行测量之前，禁用了所有不必要的操作系统进程，以减少对系统资源的争用。
每台笔记本电脑都有一个Cisco Aironet 350系列适配器，用于访问IEEE802.11b无线局域网。无线网卡配置为ad hoc模式。在我们的实验中，这些是唯一在无线局域网上运行的机器。为了简单起见，我们在实验中不考虑节点移动性、多跳或ad hoc路由问题
我们实验中的Web服务器是Apache HTTP服务器（版本1.3.23）。这个版本是基于过程的Apache实现，Apache是一个灵活而强大的HTTP/1.1兼容Web服务器[13，14]。Apache目前广泛部署在互联网上，大约60%的Web站点都在使用它[15]。
使用WLAN分析器收集网络流量测量。对捕获的跟踪进行解码可以在MAC、IP、TCP和HTTP层进行协议分析。
IEEE 802.11b无线局域网是我们实验环境中的性能瓶颈。实验旨在演示无线瓶颈如何影响网络级别和用户级别的Web性能。
4.2. 实验设计
采用单因子法实验设计，研究各因素对无线Web服务器性能的影响，包括HTTP处理速率、客户端数量、传输大小、HTTP协议版本。表1总结了实验因素。粗体的值显示使用的默认级别。
在我们的实验中，httperf[16]用于生成对Web服务器的客户端请求。httperf是一个Web工作负载生成工具，由Hewlett-Packard实验室开发，用于Web性能测量。它提供了一种灵活的方法来生成HTTP工作负载和测量服务器性能。我们使用易于生成、分析和复制的合成Web工作负载。我们的目标是确定可实现性能的上限，并使用尽可能简单的场景了解过载条件下的表现。
实验采用httperf作为开环工作负载发生器。我们在客户机上调用httperf，并以指定的速率向服务器发送请求以重复检索目标Web对象。每个测试持续2分钟，每个TCP连接根据测试发出一个或多个HTTP请求。httperf中的“用户中止”超时设置为5秒。
使用httperf和WLAN分析器收集性能数据。httperf工具报告应用程序层关于HTTP表现的统计信息（例如，应答率、吞吐量、响应时间、错误率），提供用户级别的性能视图。WLAN分析器的详细测量支持从MAC层到HTTP层的流量分析。这些跟踪用于评估无线信道争用、TCP协议行为和HTTP处理性能。
- 实验结果
5.1. 实验1：请求率
第一个实验的目的是确定无线Web服务器的可持续负载。最初，只使用一个Web客户机。客户机、服务器和监听笔记本电脑都在同一办公室的同一张桌子上，相距不到1米。无线信道被认为是极好的。Web对象大小为1 KB。
实验以每秒10个请求的速率开始，使用非持续连接。也就是说，每个TCP连接只有一个HTTP“GET”请求；因此，术语“TCP连接速率”和“HTTP处理速率”是这个实验的同义词。当一个测试完成时，下一个更高的HTTP处理速率（每秒10到160个请求）的测试开始。网络跟踪显示，每个HTTP处理生成10个TCP数据包（6个客户端，4个服务器）。每个TCP包需要访问IEEE 802.11b WLAN以传输帧及其对应的MAC层ACK。
图3显示了httperf报告了这个实验的应用层性能结果。这些图显示了成功的HTTP事务率（图3（a））、实现的用户级吞吐量（图3（b））、用户感知的响应时间（图3（c））和“用户中止”错误率（图3（d））。在这四幅图中，有两种状态：可行负载的“正常”运行状态和开环负载的“过载
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