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Cisco Wide Area Application Services:优化第三代无线网络

内容概述

随着无线网络速度加快和可靠性增强,为传统有线 WAN 解决方案提供了一种可行的替代方案,可以起到有线服务的主要访问链路或备份链路的作用。第三代 (3G) 无线解决方案旨在提供相对较低的成本和较高的速度,可供难于或无法获取有线连接的地区使用。但是,3G 无线网络并非完美无缺,其缺点包括相对较高的延迟、不对称带宽限制和数据包丢失。本文介绍了如何通过使用 Cisco® Wide Area Application Services (WAAS) 来克服其中的一些限制。

本文的内容基于所执行的一系列测试,用于衡量 3G 无线连接在使用 Cisco WAAS 进行优化前后的性能特性。使用实际应用下的数据和应用程序来执行每个测试,以说明优化和加速链路之后,用户所能获得的整体体验改进。在所有情况下,只要部署了 Cisco WAAS,3G 无线链路均能获得实质上的性能改善。

Cisco WAAS 概述

Cisco WAAS 是一套业内领先的易用性解决方案,将应用加速技术与 WAN 优化技术结合起来,解决应用实现中的困境、推动分布式服务器和存储的整合、改善现有集中化服务的性能并保持已经集中化的服务的性能水平。

组织可以使用 Cisco WAAS 来实现其主要 IT 目标:

  • 将应用和存储集中在数据中心的同时保持类似于 LAN 的应用表现
  • 改善企业的吞吐量、应用实现和应用程序数据,以保持或提高用户的产能和效率
  • 更有效地利用现有 WAN 连接以减少升级 WAN 带宽所需的高昂成本
  • 实现本地托管 IT 服务的同时减少分部办公室设备所用的整体楼层空间

图 1 显示使用 Cisco WAAS 的典型客户部署方案。

图 1.

Cisco WAAS 部署体系架构

测试拓扑

测试所用的简化网络拓扑(如图 2 所示)基于从远程站点到核心站点的方法。图左侧为远程站点,由包含两个模块的 Cisco 2851 集成服务路由器组成:运行 Cisco WAAS 软件的网络模块 (Cisco NME-502),以及提供与 Internet 的无线连接的 3G 高速 WAN 接口卡 (HWIC)。路由器及安装的模块在单个机箱中实现了无线连接和 WAN 优化,减少了整体的连接环节。Microsoft Windows XP 客户端是远程站点的最终组件,也是进行所有测量的端点。

图 2.

网络测试拓扑

图的右侧为远程站点将连接到的核心站点。核心站点使用 Cisco 3845 集成服务路由器提供 Internet 连接,但并未使用模块,而是使用独立的 Cisco WAAS 设备,即 Cisco WAE-612 广域应用引擎。第二台 Cisco WAE-612 用作中央管理器,为核心 Cisco WAE 和远程站点的 Cisco NME 提供管理服务。最后,使用 Microsoft Windows 2003 Server 提供通用 Internet 文件系统 (CIFS) 文件服务、Microsoft Active Directory、FTP、HTTP、域名系统 (DNS) 和网络时间协议 (NTP)。

两个站点之间的连接在图中进行了简化。远程站点没有传出的物理连接,并且依靠 HWIC 提供到服务提供商 3G 无线网络的连接。服务提供商在网关处终止无线组件,然后将通信量通过 Internet 路由到核心站点路由器的 WAN 接口。由于远程站点和核心站点使用专用地址,两个路由器之间建立了通用路由封装 (GRE) 隧道,用于封装流经 Internet 的通信量。

从客户端流向远程路由器的通信量使用 Web 缓存通信量协议第 2 版 (WCCPv2) 来截取所有 TCP 通信量并将其发送到 Cisco WAAS 模块。通信量被优化,然后通过 WAN 链路发送到核心路由器,核心路由器也使用 WCCPv2 截取优化后的通信量并将其发送到该侧的 Cisco WAE。核心端的 Cisco WAE 解除对通信量的优化并将其发送到服务器。从服务器返回的数据以反向路径传输,如此循环往复。

在真实场景中,需要考虑到安全性,因此应向隧道添加某些类型的加密。这可以由路由器在 GRE 接口上使用 IP 安全 (IPsec) 来执行,或在两台 Cisco WAAS 之间使用外部 VPN 解决方案。

两端的路由器均运行 Cisco IOS® 软件发行版 12.4(15)T7 和 Cisco WAAS 软件 4.1.1 版

测试方法

每个测试执行三次:

  • 在禁用 WCCP 的情况下运行基准测试,没有任何通信量流向 Cisco WAAS,因此不进行任何优化。
  • 接下来启用 WCCP,清除 Cisco WAAS 设备上的缓存,使用“冷”(空)缓存再次运行测试。此测试演示通过 TCP 优化以及压缩以前未经过 Cisco WAAS 设备的文件所获得的性能提升。
  • 最后,使用相同的文件集执行测试,但事先不清除 Cisco WAAS 缓存。这是“热”命中测试,此时可以在本地检索到大部分或全部数据而非必须通过 WAN 链路。

所有测试中使用的文件集由不同大小的 Microsoft Word、PowerPoint 和 Excel 文件组成。此外,在部分测试中还增加了 5.5 MB 大小的压缩文件(Zip 格式)以演示如何处理压缩文件。表 1 概述了所用文件集。

表 1. 测试文件集


大小 文件名
112,640 100K.ppt
1,006,592 1M.doc
1,054,720 1M.xls
218,112 200K.ppt
2,055,168 2M.doc
2,108,928 2M.xls
524,800 500K.ppt
57,344 50K.doc
53,248 50K.xls
108,032 100K.doc
105,472 100K.xls
1,100,288 1M.ppt
219,136 200K.doc
222,208 200K.xls
1,960,448 2M.ppt
513,024 500K.doc
468,480 500K.xls
48,640 50K.ppt
5,642,167 5M.zip
17,579,447 字节 18 个文件


如需了解测试的详细信息,请参见下文中的测试说明和结果。

测试 1:HTTP 下载

第一个测试是使用 Microsoft Internet Explorer 简单下载文件集(前文所述)。从包含链接的网页中下载各个文件,因此每次下载需要建立和关闭新的会话。此测试中的平均往返时间 (RTT) 为 146 毫秒 (ms)。表 2 和图 3 总结了结果。

表 2. 测试 1 数据


文件 基准(秒) Cisco WAAS(冷) Cisco WAAS(热)
1 MB Word 5 1 1
1 MB PowerPoint 5 3 1
1 MB Excel 6 1 1
2 MB Word 11 5 1
2 MB PowerPoint 12 9 1
2 MB Excel 12 2 1
5.5 MB Zip 39 32 1

图 3.

测试 1 优化结果

在所有情况下,Cisco WAAS 显著减少了所用的时间,改善了性能。具有高压缩比的文件(如 Microsoft Word 和 Excel 文档)表现出最大的改善,而即便是已经高度压缩的文件(如 Zip 文件),由于使用了 TCP 优化,也表现出了改善。由于未更改文件,热测试直接由缓存提供服务,这使得本地 Cisco NME 能够以 LAN 速度提供数据而无需通过 WAN 传输数据。

测试 2:FTP 下载

与第一次测试相似,第二次测试为简单下载速度测试,但此时使用 FTP 作为协议。本例中使用类似(虽然略有增加)文件集,测试中的平均 RTT 为 153 毫秒。由于使用了客户端,结果精度更高一些,其工作时间以百分之一秒计(表 3 和图 4)。

表 3. 测试 2 数据


文件 基准(秒) Cisco WAAS(冷) Cisco WAAS(热)
100 KB Word 5.89 0.72 0.16
100 KB PowerPoint 1.34 0.84 0.14
100 KB Excel 1.2 0.8 0.11
1 MB Word 8.98 1.78 0.48
1 MB PowerPoint 7.77 5.16 0.27
1 MB Excel 9.45 2.02 0.23
200 KB Word 1.91 1.24 0.17
200 KB PowerPoint 1.89 1.27 0.19
200 KB Excel 1.89 0.72 0.16
2 MB Word 12.88 8.41 0.28
2 MB PowerPoint 12.39 13.31 0.39
2 MB Excel 16.77 3.66 0.38
500 KB Word 4.22 2.25 0.52
500 KB PowerPoint 3.67 4.19 0.66
500 KB Excel 3.53 1.69 0.22
50 KB Word 0.89 0.45 0.32
50 KB PowerPoint 0.92 0.36 0.11
50 KB Excel 0.89 0.3 0.13

图 4.

测试 2 优化结果

与 HTTP 类似,在冷缓存的条件下,基本上所有 FTP 测试都有所改善,在热缓存条件下表现出了显著的改善。此次测试中的例外情况是两个 Microsoft PowerPoint 文件在冷缓存运行下下载时间略长。虽然 Microsoft PowerPoint 文件不像其他格式的文件一样倾向于可压缩,此行为可能仅是由于该时刻网络中的数据包丢失。与前次测试一样,远程 Cisco NME 直接提供了所有热缓存命中。

测试 3:FTP 上传

由于 3G 无线网络使用不对称带宽限制,测试双向通信量非常重要。下载速度会比上传速度快许多倍,由于传输持续时间较长,数据在此过程中更有可能出现数据包丢失。上传测试使用的文件集与之前下载测试中相同,除去了部分较小的文件,执行测试期间中网络表现出的平均 RTT 为 56 ms(表 4 和图 5)。

表 4. 测试 3 数据


文件 基准(秒) Cisco WAAS(冷) Cisco WAAS(热)
1 MB Word 78.2 6.36 0.08
1 MB PowerPoint 96.48 39.16 0.09
1 MB Excel 73.66 7.77 0.13
200 KB Word 16.08 0.03 0.02
200 KB PowerPoint 15.02 1.91 0.02
200 KB Excel 16.59 0.03 0.02
2 MB Word 152.75 101.55 0.17
2 MB PowerPoint 121.69 96.17 0.16
2 MB Excel 146.22 27.38 0.19
500 KB Word 31.77 8.67 0.03
500 KB PowerPoint 35.16 8.23 0.03
500 KB Excel 30.69 3.5 0.05

图 5.

测试 3 优化结果

在所有情况下,上传结果均表现出了较高性能,大多数情况下有显著提高。例如,对于 2 MB Microsoft Excel 文件,使用 Cisco WAAS 的情况下传输耗时 27 秒,与之对比,不使用 Cisco WAAS 耗时 146 秒。

测试 4:CIFS 下载和上传

测试 4 所用文件集与测试1 相同,总大小约 20 MB。客户端装载了服务器的共享磁盘作为驱动器,然后使用 Microsoft Windows 资源管理器将文件从映射驱动器复制到本地目录。由于 CIFS 的工作方式以及其在 WAN 链路中的潜在低效率,这个测试非常重要。在此环境中,使用 Microsoft Active Directory 上的 Kerberos 执行所有 CIFS 验证,所有内容(从初始会话建立到文件安全描述符查询)必须通过 WAN 链路流向 Microsoft Active Directory。Cisco WAAS 具有效率的因素之一是其减少需要通过 WAN 链路的消息包数量的能力。在这种情况下,由于其中涉及到控制消息的数量,主要考虑因素则通常为延迟,而非带宽不足。

此测试从整体观察一组文件而非单独观察各个文件。首先执行下载测试,然后执行上传测试,同样是在不同的上传和下载速度下进行。对于下载测试,平均 RTT 为 151 ms(图 6),对于上传测试,平均 RTT 为 154 ms(图 7)。

图 6.

测试 4 优化结果:下载

图 7.

测试 4 优化结果:上传

上传链路速度与下载链路速度之间再次表现出了明显差异,但 Cisco WAAS 在双向实现了显著的提高。

测试 5:CIFS 文件打开

之前的四个测试评估原始文件传输速度,在某些情况下非常有用,但不能反映应用程序通过 WAN 访问文件的行为方式。文件复制操作只是检查用户是否可以访问文件,然后传输相关的文件。应用程序通常要完成更多操作,特别是在处理对文件的锁定时。

对于此测试,使用自动 Cisco Wide Area File Services 软件 (WAFS) 基准工具生成结果。此工具是一种脚本,使用真实数据集(正好与其他测试中使用的文件集相同)与 Microsoft Office 应用程序以真实环境中的方式执行文件操作。该工具在 Cisco WAAS 软件下载区可供免费下载,地址为 http://www.cisco.com

第一个测试为文件打开测试,在其中启动应用程序,然后使用该应用程序打开文件(Microsoft PowerPoint、Excel 或 Word)。文件打开完成并可供应用程序编辑后,计时器停止(图 8)。

图 8.

测试 5 优化结果

这些结果相比原始文件传输在某些方面更有趣,其中表现出更多的变化,尤其是对于热缓存命中的情况。仅在少数例外的情况下冷缓存结果有所改善,正如根据之前结果的预计。但是,热缓存测试展示了应用程序如何访问文件。直接文件传输只需进行检查以验证对文件的访问,而应用程序(如 Microsoft Office 中的应用程序)需要执行更多工作,特别是锁定文件供编辑时,因此缓存过的内容与未缓存过的内容仍存在巨大的差异,出现更多的从 WAN 返回到 Microsoft Active Directory 的活动。

测试 6:CIFS 文件保存

图 9.

测试 6 优化结果

应用程序行为仍然表现出了性能变化,这是由于缓存过的数据无需通过 WAN 传输以维护所有文件操作执行的数据完整性。在部分情况下,此行为意味着从 Cisco WAE 写入回服务器的操作几乎在瞬间发生,但确认和安全描述符集需要占用时间在 WAN 链路上传递。此测试表明延迟可能是比带宽重要得多的因素。但是,Cisco WAAS 在所有情况的基准结果中表现出了实质性的改善。

表 5 显示这些测试的原始数据(所有结果以秒计)。

表 5. 所有测试结果的原始数据


文件 基准打开 基准保存 冷打开 冷保存 热打开 热保存
50K.doc (58.5KB) 9.905 30.203 4.532 15.484 3.859 14.578
100K.doc (106.5KB) 9.484 36.5 5.844 15.219 4.5 16.016
200K.doc (226.5KB) 14.859 59.203 6.609 18.375 5.61 17.907
500K.doc (521KB) 17.173 83.032 9.875 25.032 4.078 18.562
1M.doc (1046.5KB) 13.485 113.766 7.999 25.14 14.312 35.312
2M.doc (2100KB) 23.734 215.625 11.625 44.14 7.032 29.672
50K.xls (51.5KB) 12.25 19.547 3.015 15.859 2.328 15.406
100K.xls (115KB) 13.39 26.703 3.829 12.25 2.36 13.61
200K.xls (265KB) 16 38.515 4.141 15.75 2.578 14.407
500K.xls (576KB) 17.828 59.781 5.641 15.75 3.094 14.078
1M.xls (1 030KB) 26.126 99.579 6.407 38.109 3.265 25.766
2M.xls (2059.5KB) 37.296 188.297 10.657 57.922 2.845 47.657
100K.ppt (117.5KB) 9.75 17.375 2.376 3.375 3.36 3.578
50K.ppt (119KB) 11.312 19.625 3.734 8.781 3.844 2.719
200K.ppt (222.5KB) 8.984 11.703 4.905 3.219 1.094 3.297
500K.ppt (480.5KB) 17.016 25.344 7.11 5.375 2.328 21.265
1M.ppt (1250KB) 16.28 35.172 11.125 4.156 2.563 9.484
2M.ppt (2029.5KB) 19.016 36.734 20.64 5.984 3.531 3.328

结论

3G 无线网络为分部办公室连接提供了一种可行的解决方案,但其技术具有内在限制,使用诸如 Cisco WAAS 的 WAN 优化技术可以减轻这些限制。通过使用 TCP 优化、压缩、缓存和应用程序优化,Cisco WAAS 可以为远程办公室提供改进的用户体验,并能够以小型集成的方式部署这些站点。

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