应用网络服务

思科广域应用服务4.0传输流优化

运行在思科广域应用引擎(WAE)设备或网络模块上的思科广域应用服务(WAAS),能够利用一系列称为思科WAAS传输流优化(TFO)的优化功能,使几乎所有基于TCP的应用的吞吐率和效率显著提高。本文重点介绍TFO所提供的优化功能。

概述

传输控制协议(TCP),于1981年初次作为一个RFC草案 (RFC 793)推出,它提供了一种机制,使应用流程能够可靠地在网络上交换数据。虽然TCP的确提供了一个连接导向的、可靠的传输环境,但是部署应用的网络却在过去的20年中产生了极大的变化。在许多情况下,TCP已成为了广域网(WAN)应用性能的瓶颈。TFO推出了一系列强大的优化功能,几乎能够消除所有TCP性能障碍,且无需更改客户端、服务器或网络特性。

TCP和广域网

虽然TCP在局域网上能发挥出色的性能,但广域网自身的特点,以及TCP的低效性,带来了应用和信息供应挑战,这其中包括:

  • 无法充分利用可用的广域网带宽资源——标准TCP实施受限于最大64或256 KB的窗口尺寸 (MWS),这意味着连接只能拥有少量网络传输数据。许多网络拥有高带宽和高延迟,在物理上能够支持更为庞大的数据量。但是,因为无法充分利用可用的广域网容量,而使应用性能大打折扣。
  • 短期连接带宽缺乏——许多应用交换采用极短期的TCP连接,通常在广域网上只需少许往返即可完成。由于TCP通常启动缓慢,使新建立的TCP连接受到抑制,导致应用交换没有足够的带宽。这一行为会使短期连接出现吞吐率问题,可能永远无法退出TCP慢启动阶段;而且也为长期TCP连接带来性能挑战,可能由于拥塞而迫使其重新回到慢启动阶段。
  • 出现数据包丢失时无法重新传输——当遇到数据包丢失时,标准TCP实施被迫重新传输整个丢失数据的窗口,由于丢失恢复的效率低下,导致性能显著降低。
  • 无法智能地处理拥塞情况——TCP拥有处理拥塞的内置恢复机制,但却还不足以为恢复至更高水平的吞吐率提供一个安全、有效的方法。遇到拥塞时,普通TCP堆栈会使连接吞吐率立刻降低50%,利用线性的拥塞避免算法,需经过一段很长的时间,才能缓慢地恢复至最高水平的吞吐率。在这段时间内,TCP禁止应用使用拥塞前所用的带宽量,因而降低了性能。如图1所示,数据包丢失和拥塞都会直接影响吞吐率。

图 1. 数据包丢失对TCP吞吐率的影响

数据包丢失对TCP吞吐率的影响
数据包丢失可能性
假定采用1250字节的数据包,和100ms RTT

传输流优化

TFO旨在克服将TCP作为广域网环境中的传输工具所带来的性能和效率限制。在思科WAE设备互相自动发现后,TCP代理即启动,因而允许每个思科WAE设备利用相邻的节点(即利用连接所采用的客户端或服务器)本地端接TCP。TCP代理用于保护通信节点免受广域网环境中不可预测因素的影响,也允许思科WAE代表节点透明地优化连接。因此,思科WAAS能够保护通信节点不受广域网问题的影响,并提高穿越网络的TCP连接的吞吐率和效率(图2和3)。

图 2. 典型的TCP 广域网行为

典型的TCP 广域网行为

图 3. 采用TFO的TCP行为

采用TFO的TCP行为

TFO提供了下列优化功能:

  • 窗口扩展——必要时,思科WAAS能够代表通信节点透明地扩展TCP最大窗口尺寸,使应用能利用所有可用的广域网容量。
  • 选择性认可(SACK)和扩展——SACK和SACK扩展使思科WAE能够通过仅传输丢失的TCP分段,高效地恢复丢失数据包。因此只需重新传输较少的字节,这极大地提高了数据包丢失环境的性能,缩短了重新传输延迟。
  • 大型初始化窗口——在自动发现后,思科WAAS加大了TCP连接的最大分段尺寸,以帮助连接退出慢启动阶段,进入拥塞避免阶段,因而,能够更快速地实现更高的吞吐率。这一优化功能尤其适用于通常从不退出慢启动阶段的短期连接,因为应用系统可以在第一次请求就能最大限度地使用广域网吞吐率。
  • 先进的拥塞管理——TFO采用了先进的拥塞避免算法,效率远远超出标准TCP拥塞避免机制。在标准TCP拥塞避免机制中,数据包丢失会将连接吞吐率降低达50%,而每次成功往返会提高一个网段的连接吞吐率。思科WAAS拥塞避免机制则为每个TCP连接都保留了一个历史记录,能够根据此前的广域网情况相应地恢复至最高吞吐率,从而使性能恢复周期大为缩短,如图4和5所示。

图 4. TCP拥塞避免性能障碍

TCP拥塞避免性能障碍

图 5. TFO带宽可扩展性和与标准TCP相比更高的性能

TFO带宽可扩展性和与标准TCP相比更高的性能

TFO与标准TCP实施的比较

TFO保持了对分组网络完全透明的特点,不会影响穿越网络的其他TCP连接的行为或性能。另外,TFO无需改变客户端或服务器,适用于任何思科WAE硬件平台。如图6所示,TFO能够帮助TCP连接和利用这些连接的应用完成下列工作:

  • 更快速、有效地利用可用的广域网容量
  • 更顺畅地从数据包丢失中恢复,通过智能特性,最大限度地降低应用性能的损失

图 6. TFO提高了TCP应用的性能

TFO提高了TCP应用的性能

总结

对于在配备集中资源的广域网上工作的分布式用户,要达到所需的应用性能水平,TCP无疑是一个相当大的障碍。标准TCP实施在许多领域有限制,影响了用户和服务器的性能。TFO突破了与TCP有关的限制,使应用所采用的连接能够充分利用可用的容量,轻松地处理广域网中遇到的拥塞和数据包丢失问题。通过保护用户和服务器不受广域网故障的影响并突破TCP限制,TFO使采用标准实施的节点能够获得类似局域网的体验,从而提高广域网上的应用性能。

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