[논문 리뷰] Domain-Sharding for Faster HTTP/2 in Lossy Cellular Networks

Utkarsh Goel, Moritz Steiner외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

Caching and Content Delivery참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 손실이 발생하는 셀룰러 네트워크에서 HTTP/2 성능을 향상시키기 위해 대규모 및 소규모 오브젝트 다운로드를 여러 TCP 연결을 통해 분리하는 h2-인식 도메인-샤딩을 제안한다. 실제 TCP 트레이스와 네트워크 에뮬레이션을 사용하여, 저자들은 표준 HTTP/2가 단일 연결 혼잡도 조절로 인해 높은 패킷 손실 조건에서 성능이 떨어지지만, 소규모 오브젝트를 별도의 h2 연결으로 샤딩하면 페이지 로드 시간이 단축되어 단일 연결 h2 및 6개 연결을 사용하는 HTTP/1.1보다 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

ABSTRACT

HTTP/2 (h2) is a new standard for Web communications that already delivers a large share of Web traffic. Unlike HTTP/1, h2 uses only one underlying TCP connection. In a cellular network with high loss and sudden spikes in latency, which the TCP stack might interpret as loss, using a single TCP connection can negatively impact Web performance. In this paper, we perform an extensive analysis of real world cellular network traffic and design a testbed to emulate loss characteristics in cellular networks. We use the emulated cellular network to measure h2 performance in comparison to HTTP/1.1, for webpages synthesized from HTTP Archive repository data. Our results show that, in lossy conditions, h2 achieves faster page load times (PLTs) for webpages with small objects. For webpages with large objects, h2 degrades the PLT. We devise a new domain-sharding technique that isolates large and small object downloads on separate connections. Using sharding, we show that under lossy cellular conditions, h2 over multiple connections improves the PLT compared to h2 with one connection and HTTP/1.1 with six connections. Finally, we recommend content providers and content delivery networks to apply h2-aware domain-sharding on webpages currently served over h2 for improved mobile Web performance.

연구 동기 및 목표

• 손실이 발생하는 셀룰러 네트워크에서 패킷 손실과 고지연 시간이 HTTP/2 및 HTTP/1.1 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실제 셀룰러 CDN에서 수집한 TCP 트레이스를 분석하여 손실 집중 현상 및 반복적인 손실 이벤트와 같은 핵심 네트워크 특성을 규명하기 위해.
• 실제 셀룰러 손실 패턴을 재현하는 제어된 성능 테스트를 위한 네트워크 에뮬레이터를 설계 및 평가하기 위해.
• 손실 조건에서 HTTP/2의 전송 계층 헤드-오브-라인 차단 문제를 완화하기 위해 도메인-샤딩이 효과적인지 평가하기 위해.
• 모바일 클라이언트를 대상으로 콘텐츠 제공업체 및 CDN에 실용적인 최적화로 h2-인식 도메인-샤딩을 권장하기 위해.

제안 방법

• 주요 미국 셀룰러 통신사 네트워크 내 Akamai CDN 클러스터에서 50,000개의 TCP 연결을 수집하여 실세계의 손실, RTT, 대역폭 특성 분석을 수행하였다.
• 세 가지 핵심 셀룰러 네트워크 특성 식별: 32%의 연결에서 손실 발생, 손실가 집중 현상, 손실 이벤트 동안 최대 40%의 세그먼트 손실.
• 실제 TCP 트레이스를 사용하여 동적 셀룰러 조건(손실 버스트 및 변동하는 RTT 포함)을 에뮬레이트하는 네트워크 에뮬레이터를 구축하였다.
• HTTP Archive에서 웹페이지를 재생하여 h2(단일 연결) 및 h1(6개 연결) 조건에서 합성 트래픽을 사용하여 페이지 로드 시간을 비교하였다.
• 대규모 및 소규모 오브젝트를 별도의 h2 연결에 분리하여 손실 영향을 최소화하는 새로운 h2-인식 도메인-샤딩 기법을 설계 및 평가하였다.
• 샤딩으로 인한 추가 도메인 조회의 지연을 완화하기 위해 DNS 프리레졸브 및 TCP 프리컨넥트 힌트를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 손실이 발생하는 셀룰러 네트워크에서 고패킷 손실 및 변동하는 RTT 조건에서 HTTP/2 성능은 HTTP/1.1에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ2 실세계 셀룰러 네트워크에서 TCP 연결의 핵심 특성은 무엇인가? 특히 패킷 손실 및 손실 집중 현상 측면에서.
• RQ3 손실 조건에서 도메인-샤딩이 대규모 및 소규모 오브젝트 다운로드를 분리함으로써 HTTP/2 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 h2-인식 도메인-샤딩은 페이지 로드 시간 측면에서 단일 연결 HTTP/2 및 6개 연결 HTTP/1.1를 모두 초월하는가?
• RQ5 모바일 HTTP/2 배포에 도메인-샤딩을 적용할 때 실용적 영향과 성능 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• 손실이 발생하는 셀룰러 조건에서 단일 TCP 연결을 사용하는 표준 HTTP/2는 대규모 오브젝트가 포함된 웹페이지에서 TCP의 혼잡도 창 크기 감소로 인해 페이지 로드 시간(PLT)이 악화된다.
• 소규모 오브젝트만 포함된 웹페이지의 경우 HTTP/2는 응용 계층 헤드-오브-라인 차단을 피함으로써 HTTP/1.1보다 더 빠른 PLT를 달성한다.
• 소규모 오브젝트를 별도의 h2 연결에 고립시키는 제안된 h2-인식 도메인-샤딩 기법은 패킷 손실 영향을 줄이고 단일 연결 HTTP/2보다 PLT를 향상시킨다.
• h2-인식 도메인-샤딩은 특히 대규모 및 소규모 오브젝트가 혼합된 웹페이지에서 6개 연결을 사용하는 HTTP/1.1보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 대규모 오브젝트와 소규모 오브젝트를 분리할 경우 샤딩의 성능 향상 효과가 가장 뚜렷하며, 이는 대규모 오브젝트가 손실에 의한 혼잡도 창 크기 절반 감소에 더 민감하기 때문이다.
• DNS 프리레졸브 및 TCP 프리컨넥트를 사용함으로써 추가 도메인 조회로 인한 지연 비용을 완화하여 샤딩을 모바일 배포에 실용적으로 적용할 수 있다.