[论文解读] Domain-Sharding for Faster HTTP/2 in Lossy Cellular Networks

Utkarsh Goel, Moritz Steiner+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 14被引用 8

一句话总结

本文提出一种h2感知的域分片机制，通过在多个TCP连接上隔离大对象和小对象的下载，以提升在丢包严重的蜂窝网络中的HTTP/2性能。基于真实TCP追踪和网络仿真，作者发现：由于单连接拥塞控制机制，标准HTTP/2在高丢包环境下性能下降；而将小对象分拆到独立的h2连接上可显著减少页面加载时间，优于单连接h2和使用六个连接的HTTP/1.1。

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.

研究动机与目标

• 研究蜂窝网络中的丢包和高延迟对HTTP/2与HTTP/1.1性能的影响。
• 分析来自蜂窝CDN的真实TCP追踪，识别关键网络特征，如聚集性丢包和重复丢包事件。
• 设计并评估一个网络仿真器，以复现真实的蜂窝丢包模式，用于受控的性能测试。
• 评估域分片是否能缓解在丢包环境下HTTP/2的传输层队头阻塞问题。
• 建议将h2感知的域分片作为面向移动客户端的CDN和内容提供商的实用优化方案。

提出的方法

• 从美国主要蜂窝运营商网络中一个Akamai CDN集群收集了50,000个TCP连接，以分析真实世界中的丢包、RTT和带宽特征。
• 识别出蜂窝网络的三个关键特征：32%的连接经历丢包，丢包具有聚集性，且在丢包事件中多达40%的段被丢弃。
• 利用真实TCP追踪构建网络仿真器，以模拟动态蜂窝条件，包括丢包突发和可变RTT。
• 使用合成流量重放HTTP Archive中的网页，分别在h2（单连接）和h1（六连接）模式下比较页面加载时间。
• 设计并评估一种新型h2感知的域分片技术，通过在多个h2连接上分离大对象和小对象的下载，以减轻丢包影响。
• 使用DNS预解析和TCP预连接提示，以缓解分片带来的额外域名解析延迟开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有高丢包和可变RTT的丢包严重蜂窝网络中，HTTP/2的性能与HTTP/1.1相比如何？
• RQ2 真实蜂窝网络中TCP连接的关键特征是什么，特别是关于丢包和丢包聚集性？
• RQ3 通过隔离大对象和小对象的下载，域分片能否改善在丢包严重蜂窝环境下的HTTP/2性能？
• RQ4 h2感知的域分片在页面加载时间方面是否优于单连接HTTP/2和六连接HTTP/1.1？
• RQ5 在移动HTTP/2部署中应用域分片的实际影响和性能权衡是什么？

主要发现

• 在丢包严重的蜂窝网络中，由于TCP拥塞窗口在丢包后减半，标准HTTP/2使用单个TCP连接会导致包含大对象的网页页面加载时间（PLT）显著下降。
• 对于仅包含小对象的网页，HTTP/2的PLT优于HTTP/1.1，因为它避免了应用层的队头阻塞。
• 所提出的h2感知域分片技术通过将小对象隔离在独立的h2连接上，减轻了丢包影响，相比单连接HTTP/2显著改善了PLT。
• 在丢包环境下，h2感知域分片优于使用六个连接的HTTP/1.1，尤其在混合对象大小的网页中表现更优。
• 当大对象与小对象被分离时，分片带来的性能增益最为显著，因为大对象对因丢包导致的拥塞窗口减半更为敏感。
• 使用DNS预解析和TCP预连接可有效缓解额外域名解析带来的延迟成本，使分片在移动部署中具备实际可行性。