再谈光速太慢!

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  光速是世界上最快的速度。就连《无极》,都在追寻时空速度。那么,网络呢?现实中的速度远没有想象中那么畅快淋漓。是距离?还是介质?抑或数据处理的方式?
  1998年,我曾经写过一篇论述光速太慢的文章。但我们发现,如果没有我们的设备,用户会因因特网协议本身的缺陷,感到网络运行性能很差。但有些人认为“增加带宽会解决这个问题”,于是很快就把这个问题忘记了。
  现在,8年过去了,我们仍然没能提高“光”的速度。目前的广域网(WAN)带宽比过去增加了许多倍,而我们那些远离数据的员工要想获得信息仍需要等待,可能情况比原来还要糟糕。
  
  现在越来越多的用户在远离企业数据的地方工作。Nemertes Research最近的一次调查表明,“在公司总部工作的员工平均不到10%。”而同时,IT 部门通过进行服务器整合,来减轻管理负担并遵守备份规则的要求。比如惠普公司就曾宣布把全球的85 个数据中心减少到了6个。
  过去的8年中,将应用传送到用户的方法也发生了变化;基于网络的应用成为主流标准(往往采用SSL进行加密);用于培训的媒体数据流以及丰富的内容经常在企业内部进行传播,Web的应用比传统的C/S(Client/Server)应用所消耗的带宽至少要多10倍。
  
  增加带宽不等于加快吞吐量
  
  增加带宽有助于数据传送到某一个点,并且对于更多的位于远程办公室的用户来说,增加的带宽越多,其带来的好处就越多——这些都是毋庸置疑的。
  举一个简单的例子:一条65英里长的高速公路限速65英里,一辆空驶汽车在道路上走完全程需要一个小时,如果道路发展计划显示该高速公路将在今后的8年中增加一倍的车辆。于是增加行使车道一倍,为新的交通状况提供足够的宽度。但是,每个坐在自己车里的人会怎么样呢?他们能够更快地到达终点吗?要知道限速仍然是65英里。因此,尽管我们增加了一倍的车辆,每单辆车走完全程仍然需要同样的时间,即一个小时。
  再拿这个例子打个比方:如果开车的人在8年前要搬家,他需要在这条公路上往返两次搬运他的东西,那么搬家的总体时间就是4个小时(两个往返)。假如今天他又搬家了,而且需要搬运的物品增加了10倍。现在除非他雇用一辆卡车,否则的话,他就需要往返20次,或者说总共需要40个小时的时间。而在公路上行使车道的数量是多少则和他没有任何关系。
  
  应用的劲敌——距离
  
  如果应用的劲敌不是带宽的话,那是什么呢?答案是距离。讲得再确切一点,就是往返的时间。往返时间是由下面的因素决定的:
   光的速度
   数据需要传输的实际距离(电缆可不是从数据源头直接到达目的地的)
   路由器、防火墙和网络的延迟
   服务器或者PC机自身的延迟
   一次能够传输的数据量,一般是由协议决定的
  
  我们的协议在广域网(WAN)上效率不高
  
  现在我们要谈到数学(不要害怕,不会太学术的)。
  TCP/IP 的最初设计目标是创造一个几乎所有网络都可以使用的协议。发送者发送一个小型的信息包(不超过64K)之后,就要等待接收一个从接收者发送的ACK(数据确认Acknowledgements of Data),然后才可以继续发送其它文件。这就如同汽车在高速路上载运一件物品,走完65英里的路程,然后再空驶回来取另外一件物品。
  更糟糕的是,其它协议规定的最大值更小(比如Microsoft Exchange 采用的MAPI,其最大量为32K)。那么,一个5MB 的文件就需要至少78次往返 (如果采用MAPI的话,则需要156次)。
  即使这样也是假设TCP采用的是最大的窗口尺寸。但是,窗口尺寸是可以根据设备的反应时间进行协调和调整的。TCP在长时间的延迟链接中从未得到一个64KB 的窗口。
  
  光速难道还不快吗?
  
  好,我承认,光速在真空里是非常快的——299,792公里/秒,或者186,282 英里/秒。但是,光速在纤维和铜里的速度只是真空速度的70%,大致210,000公里/秒。
  再让我们回到那个5MB 的文件需要至少 78 次往返的例子上。我们如果假设服务器在马萨诸塞的波士顿,而用户在伦敦,他们之间的距离有5279公里。单次往返的距离就是10558公里,那么78次往返的距离就是78×10558 ,即823524公里。用这个距离除以210000,我们得到的是至少需要4秒钟才能获得这个文件。
  但是这还只是纯理论的分析,而且是在假设用户和服务器是直接连接的情况下(不存在路由器延迟、网络堵塞问题),而且当时是最佳的TCP窗口尺寸。
  
  你自己可以计算——比你想象的要慢两倍!
  
  大多数的PC机都具备一个叫做PING的功能,你可以通过这个功能看到实际的设备穿越WAN连接和因特网的往返时间。开始之前一定要确保你测试的端点就是你想测试的端点,网上也有很多途径可以告诉你服务器的位置。
  理论上,我们从波士顿到伦敦的往返时间可以缩短到50毫秒(即10,558除以 210,000),但是当你测试以后你会发现这个时间至少增加了一倍。我曾经在伦敦附近写东西,就测试过传送到三个在波士顿附近的网站的往返时间(当时大多数美国人正在睡觉,因此堵塞较少),而收到文件的平均往返时间是129 毫秒。现在一个5MB的文件就需要10秒钟才能收到,而且这还是在假设没有服务器或者防火墙延迟、没有网络堵塞、没有启动慢、没有附加信息包请求获得服务器对内容和传输的批准、且具有最大窗口大小的情况下计算的。
  我们要注意,波士顿和伦敦之间的往返距离只有10,558 公里,而绕地球一周的长度是这个距离的8倍。而且距离越远,情况就越糟糕。这里还有几个在其它距离的情况下传输5MB文件需要的往返时间的例子:
  旧金山——伦敦 16 秒
  旧金山——悉尼 23秒
  达拉斯——北京 21 秒
  巴黎——新德里 12.5秒
  (不要试图想用卫星来替代——卫星距离地球的距离就有35000 公里,这样会造成更大的延迟)。
  找到真正的问题,有时候就只剩一种选择了。在总部工作的人需要坐飞机到另外一个远程办公室办公一周,
  只因他需要访问所有存放在总部的数据!
  
  该怎么办
  
  简单来说,我们需要减少数据从服务器到用户之间的往返时间。回到我们那个搬家的例子,我们可以做的事情有:
  1. 舍弃一些不必要的物品——从而减少往返次数。
  2. 优化我们的运送机制;不用自家轿车,雇用一辆卡车,从而每次可以多载一些物品。
  3. 首先运送最重要的物品。比如,冰箱或卷发器哪个更重要?
  对于数据来说,达到快速传输的目的还有许多其它的方法可以同时使用。
  一、对象或者文件缓存
  把对象的一个副本保存在远程办公室,就采用对象缓存的方法。当用户对一个已经被另外一个用户请求过的对象发出请求时,那么这个对象就可以从本地缓存中获得(在检查服务器缓存的副本是最新的之后)。这样就减少了WAN的带宽使用,而延迟也几乎为零。
  二、字节缓存
  当一个对象不是全部缓存,可以先确定数据中重复的样本,然后用令牌的形式代替重复数据来发送。这样就可以只发送少量的字节,不用传输大量的数据。于是就提高了带宽的使用效率,降低了传输内容的时间。
  三、协议优化
  要想避免协议的缺陷,可以在等待确认之前就发送大量的数据块,快速启动那些传输比较慢的协议,甚至预测用户对数据的请求(如果用户请求打开一个文件,这些设备应该能够预测到用户对其它文件也将提出请求)。
  四、压缩
  采用站点之间的压缩技术,减少带宽消耗和往返次数。
  五、带宽管理
  为保证系统最有效地使用可用带宽,按照用户组、服务器或者应用程序等对带宽进行优先排序。
  六、消除不适当的流量
  我们不要忘记业务流量经常与非业务流量相竞争。部署可以实施策略的设备,对不适当的流量进行拦截。
  
  结论:延迟是应用的杀手
  
  带宽不是最主要的,距离才是真正的杀手。尽管具有无限带宽,数据仍然缓缓地从服务器到用户之间进行往返,直到全部数据传输成功,这样我们还是需要等待。企业应对这种情况进行实际调查,然后解决这个问题。否则,远程办公几乎不可能。
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