基于用戶用戶響應(yīng)的web服務(wù)內(nèi)在性能測度

基于用戶用戶響應(yīng)的web服務(wù)內(nèi)在性能測度

1質(zhì)量管理的一般過程隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式逐漸受到破壞。服務(wù)模式是網(wǎng)絡(luò)的弱點(diǎn)。目前某些服務(wù)供應(yīng)商(SP)已開始提供規(guī)定多項(xiàng)可測指標(biāo)的合同化服務(wù),如果實(shí)際提供的服務(wù)不滿足約定的各項(xiàng)指標(biāo)的要求,SP將按約予以經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償,這種合同也稱服務(wù)等級協(xié)約(ServiceLevelAgreement,SLA)。SLA是客戶和SP雙方就服務(wù)特性、責(zé)任和優(yōu)先權(quán)商定的一份正式合同,可能包括性能、資費(fèi)、服務(wù)交付以及補(bǔ)償?shù)汝愂?。合同雙方可以是端用戶(單個用戶或一個組織,如校園網(wǎng))和SP,或者是2個SP。目前關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)SLA的研究還有很多問題未能達(dá)成共識,例如客戶與應(yīng)用服務(wù)供應(yīng)商(ASP)之間應(yīng)用服務(wù)SLA(記為EASLA)的參數(shù)設(shè)置。根據(jù)全面質(zhì)量管理中質(zhì)量第一、用戶至上、用數(shù)據(jù)說話等觀點(diǎn),質(zhì)量應(yīng)與成本相結(jié)合,對不同的用戶應(yīng)按其要求提供不同的質(zhì)量;要使質(zhì)量盡可能滿足用戶要求以使用戶滿意;對問題除定性分析之外還應(yīng)盡量采用定量分析法以避免主觀盲目性。對于EASLA服務(wù)模式,用戶滿意源于用戶感知服務(wù)質(zhì)量(user-PerceivedQualityofService,PQoS)與用戶需要(即協(xié)定的服務(wù)等級)的比較。服務(wù)等級應(yīng)當(dāng)與用戶感知相關(guān)聯(lián),否則無意義也無法使用戶達(dá)到滿意。而PQoS主要由服務(wù)實(shí)績決定,但具有主觀性、差異性和可抵賴性?？梢姛o論為了制定合理的服務(wù)等級或驗(yàn)證EASLA合同遵從程度或推測用戶滿意度,客觀定量地估計(jì)PQoS都是關(guān)鍵。因此必須嘗試定義適當(dāng)?shù)臏y度,監(jiān)測實(shí)際業(yè)務(wù)流,實(shí)現(xiàn)PQoS的客觀定量估計(jì)。對PQoS起主要作用的服務(wù)實(shí)績由服務(wù)結(jié)果(技術(shù)質(zhì)量)和服務(wù)過程(功能質(zhì)量)組成。對于傳送文本、圖片、簡單動畫等非流式數(shù)據(jù)的普通Web服務(wù),技術(shù)質(zhì)量主要指信息內(nèi)容本身質(zhì)量(超出EASLA的范圍);而功能質(zhì)量主要包括信息交付質(zhì)量,當(dāng)信息質(zhì)量都相當(dāng)不錯時,信息交付質(zhì)量是影響PQoS的最重要因素。本文主要目的就是尋求能夠估計(jì)用戶感知Web服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)內(nèi)在性能參數(shù)。2web服務(wù)功能2.1非基頁網(wǎng)頁的多線程連接普通Web以提供各種信息為主,產(chǎn)生彈性流量;也有少量Web服務(wù)器提供聲視頻的在線播放,產(chǎn)生流式流量。本文只針對前者。用戶訪問Web資源,先通過點(diǎn)擊超鏈、按鈕,或者直接輸入向?yàn)g覽器提供Web地址,若需要再經(jīng)過域名解析,然后瀏覽器與相關(guān)Web服務(wù)器交互,便能獲得Web地址所對應(yīng)的一組網(wǎng)頁。為描述方便,將上述過程稱為一次訪問。一次訪問中,瀏覽器采用3次握手方式與各Web服務(wù)器建立TCP連接。連接建立期間,雙方商定TCP初始序號和最大段大小。在第一個TCP連接上,瀏覽器發(fā)出第一個HTTP請求(如Get、Post方法),Web服務(wù)器回應(yīng)第一個網(wǎng)頁(基頁)的HTML文檔H0。H0決定Web頁面布局并包含部分文本內(nèi)容;它封裝在若干TCP報(bào)文段中從服務(wù)器逐漸傳至瀏覽器,瀏覽器從中逐漸獲悉基頁中還涉及哪些圖片、動畫、HTML文檔等元素,隨即陸續(xù)與有關(guān)Web服務(wù)器建立若干新TCP連接。瀏覽器使用這些TCP連接針對每一個元素分別發(fā)送HTTP請求(取文件命令),服務(wù)器返回HTTP響應(yīng)(發(fā)送文件)。一個TCP連接可以僅傳送一個元素,傳完后便釋放,但當(dāng)Web服務(wù)器支持HTTPkeep-alive時允許串行(不允許交錯)傳送多個元素,因而在初始TCP連接上,H0傳完后還可以接著傳其他元素。非基頁網(wǎng)頁的傳送方法類似。網(wǎng)頁的HTML文檔和其他元素允許分開存儲在不同的Web服務(wù)器上。一組網(wǎng)頁傳送過程中,常同時存在2～4個TCP連接并行傳送著網(wǎng)頁的各元素。HTTP請求與響應(yīng)報(bào)文放在TCP報(bào)文段中傳輸,一個TCP連接的數(shù)據(jù)傳輸階段可以傳送一個或多個元素,如圖1所示。服務(wù)器在收到HTTP請求后常先發(fā)純ACK再發(fā)HTTP響應(yīng)(若干DATA段),也有立即回應(yīng)DATA段的。瀏覽器方TCP實(shí)體收到兩個DATA后或收到PSH置位的DATA后或收到失序DATA后即發(fā)送純ACK。服務(wù)器方TCP實(shí)體根據(jù)接收方通告窗口和擁塞窗口動態(tài)決定其發(fā)送窗口:取二者中較小的值。TCP擁塞窗口初值為一個最大段大小,以后如果不發(fā)生擁塞(指超時或收到重復(fù)ACK),則每收到一個ACK,擁塞窗口就增大一個段。圖1中除DATA分組含有HTTP響應(yīng)外,其余分組都只含有IP首部和TCP首部,屬于控制分組;括弧中列出TCP序號和確認(rèn)號,L表示第一個HTTP請求長度。從客戶方捕獲大量訪問“新浪”和“搜狐”兩Web站點(diǎn)的流量,作簡單統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn):(1)上行流量中,控制分組數(shù)占總出方向分組數(shù)的80%以上,平均分組大小(IP包總長度)一般小于100字節(jié)。(2)下行流量中,控制分組數(shù)占總?cè)敕较蚍纸M數(shù)的30%～60%,這主要取決于元素的大小、一個TCP連接傳幾個元素和元素是否已在瀏覽器的緩存中等因素;控制分組和大DATA分組(IP包總長度>1400字節(jié))數(shù)約占總?cè)敕较蚍纸M數(shù)的70%以上,這主要取決于元素的大小、服務(wù)器至瀏覽器路徑上各段鏈路的MTU限制和元素是否已在瀏覽器的緩存中等因素;平均分組大小一般大于500字節(jié)。(3)瀏覽器訪問新Web地址時,上下行分組數(shù)目常常相近?？赡艿慕忉屖?一個TCP連接只發(fā)一個HTTP請求,一組網(wǎng)頁的傳輸過程實(shí)際就由若干交錯著的圖1所表示的信息交換過程所組成。當(dāng)DATA為2～5個時,上下行分組數(shù)接近或相等。(4)寬帶或校園網(wǎng)LAN上網(wǎng)時,一組網(wǎng)頁下載過程中下行分組到達(dá)間隔基本上都小于3秒,平均只有幾十到上百毫秒;56K撥號上網(wǎng)時分組到達(dá)間隔基本都小于6秒、平均近二百到近四百毫秒。2.2單次訪問情況用戶訪問Web的行為受到上網(wǎng)收費(fèi)方式、用戶的閱讀能力、網(wǎng)頁信息含量、用戶性格等因素的影響。當(dāng)采用按月固定收費(fèi)或按流量計(jì)費(fèi)時,用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的動作一般比較愜意,輕松瀏覽或查詢感興趣的信息。當(dāng)然用戶時常會發(fā)現(xiàn)對正在下載的頁面并不怎么感興趣或只對部分信息感興趣,便會中斷傳輸或設(shè)法轉(zhuǎn)移。對于轉(zhuǎn)移:(1)如果是寬帶或LAN上網(wǎng),等到用戶通過點(diǎn)擊超鏈等方式輸入新Web地址時,先前的一組頁面時常已下載完成;統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)用戶兩次訪問引發(fā)的承載不同組網(wǎng)頁的分組一般至少相隔3秒到達(dá);較少出現(xiàn)快速而連續(xù)的兩次訪問,使得兩組網(wǎng)頁的分組交錯到達(dá),從時間上無法區(qū)分;(2)對于56K撥號上網(wǎng),時常無法從入分組的到達(dá)間隔上辨明用戶的兩次訪問。當(dāng)采用計(jì)時收費(fèi)時,用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的動作有可能比較緊湊,抓緊時間查詢并下載感興趣的信息,不一定在線閱讀,因此發(fā)生快速而連續(xù)的多次訪問的可能性較大。總的說來,單個用戶的Web訪問行為可以分為3種情況:(1)一次一次的訪問,指各次訪問從入分組到達(dá)時間上可以區(qū)分:對于用戶相鄰兩次訪問引入的兩組分組,就到達(dá)時間而言,寬帶或LAN接入時組間相隔多在3秒以上,56K撥號接入時節(jié)奏較慢組間相隔多在6秒以上。(2)相鄰兩次訪問引入的分組在時間上有少量重疊,一串連續(xù)多次訪問稱為一次弱突發(fā)訪問,一次訪問也可歸為此類。(3)多次訪問在時間上有較多重疊,并發(fā)的多次訪問稱為一次強(qiáng)突發(fā)訪問。隨著上網(wǎng)條件的改善,人們的訪問行為將更多屬于前兩種。從客戶方觀察Web流量,根據(jù)入分組到達(dá)間隔的大小,能夠有效劃分突發(fā)訪問。3http請求響應(yīng)延遲及組次突發(fā)到達(dá)率本文指標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)是:指標(biāo)綜合在一起能夠反映用戶對Web服務(wù)質(zhì)量的感知;容易測量;指標(biāo)之間的相關(guān)性盡可能低。為刻畫特定Web站點(diǎn)對單個用戶的信息交付質(zhì)量,選取了兩個指標(biāo):平均響應(yīng)延遲(單位:毫秒)和交付速率(單位:分組個數(shù)/秒)。在確定指標(biāo)的測量與計(jì)算方法后,指標(biāo)可稱為測度。這兩個測度都可以基于單個測量點(diǎn)測量,測量點(diǎn)可設(shè)在用戶主機(jī)或與用戶主機(jī)在一個廣播信道上的其它主機(jī)上。(1)平均響應(yīng)延遲,定義為一段時間內(nèi)用戶對指定Web站點(diǎn)的訪問流量中所有HTTP請求響應(yīng)延遲的均值。HTTP請求響應(yīng)延遲定義為一個TCP連接中SYN+ACK分組和Web服務(wù)器為響應(yīng)該連接上第一個HTTP請求(Get/Post)而發(fā)的第一個DATA分組到達(dá)客戶機(jī)方(測量點(diǎn))的時間差,見圖1。這兩個分組的特征是具有相同的源宿IP地址、源宿端口號和協(xié)議號6,TCP序號相差1,源IP地址可指向該Web站點(diǎn)的任一Web服務(wù)器,宿IP地址指向用戶主機(jī)。(2)交付速率,定義為一段時間內(nèi)各次突發(fā)訪問的分組突發(fā)到達(dá)率的均值。分組突發(fā)到達(dá)率定義為用戶對指定Web站點(diǎn)的一次突發(fā)訪問過程中,發(fā)自該站點(diǎn)的一組Web服務(wù)器的分組到達(dá)客戶機(jī)的速率。屬于同一次突發(fā)訪問的入分組的典型特征為:分組的源IP地址指向站點(diǎn)的任一Web服務(wù)器,宿IP地址指向用戶主機(jī),分組到達(dá)間隔小于閾值(TAG)。TAG是個動態(tài)變化的離散型變量,在某一段時間(如5分鐘)內(nèi)TAG可以認(rèn)為是常數(shù),經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TAG設(shè)為max(2秒,HTTP請求響應(yīng)延遲的95%分位數(shù))基本能區(qū)分出各次突發(fā)訪問。設(shè)一次突發(fā)訪問引發(fā)的入分組到達(dá)時間為t1,t2,…,tn,n為入分組數(shù),則分組突發(fā)到達(dá)率為:(n-1)/(tn-t1)。實(shí)際上一次突發(fā)訪問引入的分組序列中,尾部可能存在少量離散、間隔大的分組,且多為控制分組,對用戶的感覺影響極小,因此為避免將它們判為另一次或多次突發(fā)訪問,n必須設(shè)置一個下限值,忽略入分組數(shù)少于下限值的一次突發(fā)訪問。4實(shí)例與分析4.1主觀評價值及回歸模型的建立實(shí)驗(yàn)1在某校園網(wǎng)內(nèi)以下3處進(jìn)行:一個在學(xué)校科研樓,通過1Gbit/s光纖與校園網(wǎng)中心相連;一個在學(xué)校主樓,通過155Mbit/s光纖與校園網(wǎng)中心相連;一個在住宅,通過撥號至學(xué)校撥號服務(wù)器連入校園網(wǎng)。這3種接入最終都通過學(xué)校的1Gbit/s出口鏈路聯(lián)入ChinaNet。一般情況下,在科研樓進(jìn)行Web沖浪用戶感覺相對最好,在主樓稍次,撥號方式時感覺尚可,但明顯不如前兩種。分別在3處使用性能相當(dāng)?shù)闹鳈C(jī)隨意訪問“新浪”網(wǎng)站一段時間,記錄實(shí)際Web流量計(jì)算上述兩測度,同時記錄當(dāng)時感知Web服務(wù)質(zhì)量(PWQoS)的主觀評價,測量結(jié)果見表1。下面研究測度與PWQoS之間的關(guān)系。PWQoS實(shí)際上就是人對所訪問網(wǎng)站的服務(wù)質(zhì)量(主要指信息交付質(zhì)量,內(nèi)容質(zhì)量不在考慮之列)的即時感覺;鑒于人感覺的復(fù)雜性,它沒有絕對的客觀值只有主觀評價值。另外,PWQoS是時變的,但在短時間內(nèi)具有一定的穩(wěn)定性(即使在盡力而為服務(wù)模式下)。因此實(shí)驗(yàn)中盡量客觀地依據(jù)訪問“新浪”網(wǎng)站時的真實(shí)感覺給出那段時間PWQoS的主觀評價值,用0～10之間的實(shí)數(shù)表示,10表示最好。將兩個測度作為自變量、PWQoS作為因變量y,對表1中的觀察數(shù)據(jù)建立線性回歸模型:y=Xβ+ε其中?ε~Ν(0,σ2Ι),X=(1123.97948.2231183.75324.4561259.31118.2061188.17412.08411829.0515.148),β=(b0b1b2),y=(988877)。利用MATLAB解得參數(shù)β的最小二乘估計(jì)值,得到回歸方程:?y=7.5774-0.0004x1+0.0292x2(1)下面考慮兩個假設(shè)檢驗(yàn)。(1)檢驗(yàn)y與x1,x2是否有較好的線性關(guān)系。當(dāng)b1=b2=0時,y與x1,x2沒有關(guān)系,回歸模型沒有意義,所以要檢驗(yàn)假設(shè)H0∶b1=b2=0是否成立。假設(shè)H0為真,那么F=n∑i=1(?y-ˉy)2mn∑i=1(yi-?yi)2n-m-1~F(m,n-m-1)給定顯著性水平α,當(dāng)F>F1-α(m,n-m-1)時,假設(shè)H0不成立。對于本例,m=2,n=6,F=(2.7477/2)/(0.0856/(6-2-1))=48.1387>F1-0.01(2,3)=30.8165,所以拒絕H0,即感知Web服務(wù)質(zhì)量關(guān)于兩個變量的回歸方程在水平α=0.01下有顯著意義,也即回歸效果高度顯著。(2)雖然y與x1,x2之間確有線性關(guān)系,但并不意味著每個自變量對隨機(jī)變量y都有顯著影響。因此要檢驗(yàn)xi對y是否有顯著影響,相當(dāng)于檢驗(yàn)m+1個假設(shè)H0j∶bj=0j=0,1,2是否成立。當(dāng)假設(shè)H0j(j=0,1,or2)為真時,tj=?βj?σ√cjj~t(n-m-1)j=0,1,or2其中,cjj為矩陣(X′X)-1的對角線上第j+1個元素,?σ2=n∑i=1(yi-?yi)2n-m-1。給定顯著性水平α,當(dāng)|tj|>tα/2(n-m-1)時,應(yīng)拒絕假設(shè)H0j。對于本例,m=2,n=6,解得t0=36.8232,t1=-3.2822,t2=4.5879,查表得t0.05/2(3)=3.1824。顯然,應(yīng)拒絕所有H0j,也即兩個測度在水平α=0.05下對PWQoS都有顯著影響。實(shí)驗(yàn)1在3種上網(wǎng)條件下測試,主要是為了佐證PWQoS主觀評價的真實(shí)性,對于本文其實(shí)并非必需;不過,同時在不同上網(wǎng)條件下訪問同一網(wǎng)站相近內(nèi)容可用來研究用戶端網(wǎng)絡(luò)對PWQoS的影響程度。4.2回歸模型的建立及顯著性檢測實(shí)驗(yàn)1已較好證實(shí)了兩測度一起確實(shí)能夠反映用戶訪問“新浪”網(wǎng)站時的PQoS,實(shí)驗(yàn)2將進(jìn)一步證明兩測度用于客觀定量估計(jì)PWQoS的有效性。在不同地點(diǎn)不同時間隨意訪問“搜狐”網(wǎng)站一段時間,記錄實(shí)際Web流量計(jì)算上述兩測度,同時記錄當(dāng)時對PWQoS的主觀評價,測量結(jié)果見表2,其中測試地點(diǎn)略。對表2中的觀察數(shù)據(jù)建立相應(yīng)線性回歸模型,再解得參數(shù)β的最小二乘估計(jì)值,得到回歸方程:?y=8.3997-0.0004x1+0.0774x2(2)下面考慮兩個假設(shè)檢驗(yàn)。(1)檢驗(yàn)y與x1,x2是否有較好的線性關(guān)系。對于本例,m=2,n=9,F=(4.2160/2)/(0.2640/(9-2-1))=47.9052>F1-0.01(2,6)=10.9248,所以拒絕H0,即PWQoS關(guān)于兩個變量的回歸方程在水平α=0.01下有顯著意義,也即回歸效果高度顯著。(2)檢驗(yàn)xi對y是否有顯著影響。另解得t0=35.1430,t1=-6.7302,t2=3.9240,查表得t0.01/2(6)=3.7074。顯然,應(yīng)拒絕所有H0j,也即兩個測度在水平α=0.01下對PWQoS都有顯著影響。5關(guān)鍵性能參數(shù)及其目標(biāo)值ITU-T向來關(guān)注PQoS,2001年11月在G.1010中從端用戶角度對不同應(yīng)用分析了影響PQoS的性能參數(shù),建議中明確指出應(yīng)用服務(wù)的性能參數(shù)要關(guān)注用戶可感知的效果,要能夠在服務(wù)接入點(diǎn)被客觀或主觀地測量。該建議給出了數(shù)據(jù)類、音頻類和視頻類各應(yīng)用實(shí)例的關(guān)鍵性能參數(shù)及其目標(biāo)值,建議中對Web應(yīng)用服務(wù)建議將Web頁面拆分為HTML文檔、圖片、音頻/視頻片斷等不同成分分開處理,例如HTML文檔檢索服務(wù)的關(guān)鍵性能參數(shù)為單向延遲和信息丟失率,音頻片斷的關(guān)鍵性能參數(shù)為單向延遲、延遲變化和信息丟失率。然而用戶的一次點(diǎn)擊往往涉及多個Web服務(wù)器,頁面中有