文/周曜 周立聘 謝銳

對于互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)來說，提升終端用戶的訪問質(zhì)量是重要目標(biāo)。根據(jù)國際通用的寬帶網(wǎng)速衡量標(biāo)準(zhǔn)，反映寬帶網(wǎng)絡(luò)速率及接入質(zhì)量的指標(biāo)主要有兩種：

一是網(wǎng)絡(luò)接入速率，即運(yùn)營商與用戶合同約定的，從用戶終端到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的可使用的最高速率，比如我們通常所說的運(yùn)營商提供的20Mbps、50Mbps寬帶，主要反映的是寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營企業(yè)為用戶提供的網(wǎng)絡(luò)能力。

二是用戶實(shí)際體驗速率，是指用戶從互聯(lián)網(wǎng)上下載文件，訪問互聯(lián)網(wǎng)視頻、購物等各類應(yīng)用時實(shí)際感受到的速率，主要反映了用戶訪問網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用“端到端”的實(shí)際體驗。

包括中間網(wǎng)絡(luò)、國際互聯(lián)網(wǎng)出入口帶寬、被訪問網(wǎng)站的服務(wù)能力、網(wǎng)絡(luò)忙閑時、用戶上網(wǎng)行為及用戶使用的智能終端等在內(nèi)的多種因素會影響用戶實(shí)際體驗速率。

對于高校校園網(wǎng)絡(luò)，在訪問外網(wǎng)時同樣存在著提升用戶體驗的需求。如何合理利用現(xiàn)有資源，最大限度地為廣大師生提供優(yōu)良的上網(wǎng)體驗，是目前迫切需要解決的問題。目前上海交通大學(xué)校園網(wǎng)出口除教育網(wǎng)外，還存在多家運(yùn)營商線路，其帶寬和利用率各不相同。為了提升學(xué)校校園網(wǎng)內(nèi)部訪問外網(wǎng)質(zhì)量，基于師生通過校園網(wǎng)訪問的最常用網(wǎng)站，我們利用PhantomJS自動測試腳本做了大量訪問測試，通過分析收集到的數(shù)據(jù)，找到網(wǎng)絡(luò)延時過長的原因，并針對性的實(shí)施改進(jìn)措施，減少校園網(wǎng)訪問外網(wǎng)的延時，提升廣大師生訪問外網(wǎng)的體驗。

測試方法

測試腳本采用PhantomJS編寫。PhantomJS 是一個基于WebKit 的服務(wù)器端 JavaScript API。它全面支持Web而無需瀏覽器支持，原生支持各種Web標(biāo)準(zhǔn)： DOM 處理, CSS 選擇器,JSON, Canvas,和SVG。它非常適合于頁面自動化，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，網(wǎng)頁截屏，以及無界面測試等。本次測試腳本的主要部分如下：

var page = require('webpage').create(),

system = require('system'),

t, address;

t = Date.now();

address = system.args[1];

page.open(address, function(status) {

if (status !== 'success') {

console.log('-1');

} else {

t = Date.now() - t;

}

phantom.exit();

});

首先選定待測試目標(biāo)網(wǎng)站。我們以校園網(wǎng)內(nèi)用戶經(jīng)常訪問的TOP1000網(wǎng)址作為測試對象，比如TOP5網(wǎng)址如下：203.107.1.1，msg.71.am，hq.sinajs.cn，wx.qlogo.cn，#。這些都是網(wǎng)頁的子URL，通常是網(wǎng)頁的一個框架或者一個子頁面等。對他們的訪問所需時間比完整的頁面要少，因而能更加準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)訪問延時，便于作為分析研究的數(shù)據(jù)源。

測試分成兩個部分：有線網(wǎng)和無線網(wǎng)來完成。有線網(wǎng)機(jī)器配置成正常的用戶IP地址和DNS，利用上述測試腳本訪問TOP1000網(wǎng)址。上交大無線網(wǎng)出口路由分為兩個部分：教育網(wǎng)和電信網(wǎng)，所以無線網(wǎng)測試分成兩部分來完成。

具體的測試方法是在每天上網(wǎng)高峰期上午八時，中午十二時，晚上六時，依次訪問上述排名前一千位的網(wǎng)站，連續(xù)測試十天以上。在測試期間遇到過一些異常問題，包括：測試腳本無反應(yīng)，等待時間太長；訪問時間不規(guī)則，時長時短等。針對這些異常，采用的方法包括：如果一分鐘還沒有返回，則認(rèn)為該網(wǎng)站不通，測試結(jié)果無效，此次對該地址的測試直接結(jié)束；連續(xù)測試十次，首先去掉無效的結(jié)果，一次兩次有效結(jié)果直接計算，三次有效以上再去掉最大和最小值，剩下的有效值取平均值；如果開始連續(xù)三次都timeout，則不繼續(xù)測試該站點(diǎn)，以免浪費(fèi)時間。通過這些措施，保證每次測試能夠在2小時左右的可控制時間內(nèi)有效完成，并符合一般用戶上網(wǎng)行為。

測試數(shù)據(jù)

用上述方法得到近30萬條測試數(shù)據(jù)后，首先對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行總體宏觀上的分析。取連續(xù)十天的數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行比較。以有線網(wǎng)數(shù)據(jù)為例，共829個網(wǎng)址能夠成功訪問，占83%，另外171個網(wǎng)站無法訪問，占17%。經(jīng)過分析，這171個網(wǎng)址訪問失敗主要有下述原因：

首位度多用于測量區(qū)域主導(dǎo)性[28]，反映區(qū)域規(guī)模序列中的頂頭優(yōu)勢性，也表明區(qū)域中各種資源的集中程度。本文將其用于反映旅游客源市場分布的集中度，計算公式如下：

1.某些網(wǎng)址訪問需要特殊格式，不滿足則http返回400錯誤，包括如下地址：

TOP排名第三：—hq.sinajs.cn 和TOP排名第四：—wx.qlogo.cn

2.某些網(wǎng)址需要通過認(rèn)證才能訪問，不滿足則http返回403錯誤，包括如下地址：

TOP排名第二十九：—p3.music.126.net 和TOP排名第三十：—beacon.sina.com.cn

3.部分子域名需要從主域名訪問，如：

TOP排名十三： — api.bilibili.com 和 TOP排名十五： —data.bilibili.com 都需要從www.bilibili.com訪問。

對于成功訪問的829個網(wǎng)址，通過圖1查看各個延時時間段內(nèi)網(wǎng)址的個數(shù)（橫坐標(biāo)表示各個訪問延時的區(qū)間，縱坐標(biāo)表示落在各個區(qū)間的網(wǎng)址個數(shù)），可以看出,部分網(wǎng)址訪問情況理想，部分網(wǎng)址訪問延時較大。延遲較大的需要重點(diǎn)分析并予以優(yōu)化。

通過圖2可以清晰地比較各個訪問延時的總體情況（橫坐標(biāo)對應(yīng)可成功訪問的829個網(wǎng)址，按照訪問頻度排名高低從左到右排列，縱坐標(biāo)表示各個網(wǎng)址對應(yīng)的訪問延時，單位毫秒）。為了便于觀察，對于訪問延遲大于一萬毫秒的統(tǒng)一按照一萬毫秒來標(biāo)記。

通過圖1、2數(shù)據(jù)，表示訪問頻率較高的網(wǎng)址延時比較大，這部分地址將是優(yōu)化的主要目標(biāo)。

圖3是無線網(wǎng)絡(luò)部分通過電信網(wǎng)和通過教育網(wǎng)訪問829個網(wǎng)址的數(shù)據(jù)對比。

圖1 各類訪問延時分布

圖2 訪問延時總體分布

圖3 無線網(wǎng)測試數(shù)據(jù)對比

從圖3中可以看出，無線網(wǎng)訪問外網(wǎng)延時總體分布同有線網(wǎng)類似，但是整體訪問質(zhì)量要略遜色于有線網(wǎng)，這屬于無線接入端引入的延時，比如射頻干擾引起的延遲。同時比較電信和教育網(wǎng)出口訪問延時情況，可以看到電信網(wǎng)出口無論是可訪問網(wǎng)址個數(shù)，還是延時都要優(yōu)于教育網(wǎng)出口。這是因為上交大電信網(wǎng)出口帶寬利用率不高，相對于教育網(wǎng)比較空閑（目前教育網(wǎng)帶寬峰值利用率在95%以上），從另一個側(cè)面表明教育網(wǎng)帶寬需要進(jìn)一步升級。

延時原因分析

為了解決訪問延時較大的問題，我們從上述測試結(jié)果中挑選訪問頻率較高的網(wǎng)址（包括延時較小和延時較大等各種類型）作重點(diǎn)比較分析，通過比較各個網(wǎng)址訪問的詳細(xì)過程，探究訪問延時大、用戶體驗差的可能原因。下面列舉出幾個典型樣例：

1.部分網(wǎng)址訪問狀況良好，穩(wěn)定訪問時間在100ms以內(nèi)。以排名第二的網(wǎng)址 msg.71.am為例,連續(xù)三天的測試結(jié)果如圖4所示。（橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示延時，單位毫秒，以下同）。

該網(wǎng)址IP地址解析在山東濟(jì)南移動，訪問延時低而且穩(wěn)定，無需優(yōu)化。

2.部分網(wǎng)址訪問延時不穩(wěn)定，有時候很小，有時候很大甚至不通。以排名第十六的網(wǎng)址 dl.360safe.com為例,連續(xù)三天的測試結(jié)果如圖5。

圖4 msg.71.am訪問數(shù)據(jù)對比

圖5 dl.360safe.com訪問數(shù)據(jù)對比

該地址早上訪問延時較小，但是到了中午后延時很大，非常有規(guī)律。經(jīng)過觀察，訪問快的時候CDN調(diào)度使得域名解析到101.4.60網(wǎng)段（位于教育網(wǎng)北京）；而下午CDN調(diào)度會將域名解析到104.192.108網(wǎng)段（位于美國洛杉磯），導(dǎo)致速度變慢，用戶體驗變差。

3.部分網(wǎng)址訪問延時一直很大。以排名第68位的網(wǎng)址 www.bilibili.com和第51位 blog.sina.com.cn 為例,連續(xù)三天的測試結(jié)果如圖6所示。

其中 www.bilibili.com訪問延時一直較大，ping報文延時也達(dá)到200ms左右。經(jīng)過分析，訪問域名大多解析到47.88.107網(wǎng)段（位于美國加利福利亞州），也有時候解析到120.41.32網(wǎng)段（位于福建電信）。同時 blog.sina.com.cn 的http訪問延時也一直較大；單ping報文延時很小，只有20多毫秒。訪問域名有時解析到202.205.3網(wǎng)段（位于北京清華大學(xué)），也有時解析到218.30.115網(wǎng)段（位于北京電信）。經(jīng)過分析，http延時大的原因應(yīng)為服務(wù)器訪問量太大。

經(jīng)過上述一系列測試和分析，可以看出Web訪問瓶頸不在教育網(wǎng)內(nèi)部，國外網(wǎng)站訪問延時相對國內(nèi)網(wǎng)站普遍偏大。所以，國際訪問流量將是我們優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)訪問的另一個重點(diǎn)。其次，教育網(wǎng)及各個運(yùn)營商不同的DNS解析策略也在很大程度上影響訪問延時，校內(nèi)用戶統(tǒng)一DNS解析很重要。

圖6 www.bilibili.com 和 blog.sina.com.cn訪問數(shù)據(jù)對比

改進(jìn)措施

通過上述測試數(shù)據(jù)比較和分析，針對影響訪問質(zhì)量的原因，總結(jié)出下述具體改進(jìn)措施：

1.選擇最快的運(yùn)營商國際線路

訪問同一國外網(wǎng)站，教育網(wǎng)和各家運(yùn)營商的國際出口有快有慢?？焖僭L問的關(guān)鍵，是正確選擇最快的運(yùn)營商線路。通過在多家運(yùn)營商線路校園網(wǎng)側(cè)部署探針系統(tǒng)進(jìn)行多網(wǎng)訪問測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而找出最快的線路。

另外，各家運(yùn)營商國際出口各具優(yōu)勢，要快速訪問所有的網(wǎng)站，只靠一家運(yùn)營商線路無法實(shí)現(xiàn)，需要接入多運(yùn)營商帶寬，做國際出口組合。

2.實(shí)施網(wǎng)絡(luò)出口流量控制策略

接入多線帶寬后，還要使用專用流控設(shè)備，把訪問目標(biāo)網(wǎng)站的流量切到最快的出口線路上。網(wǎng)絡(luò)流量不會自動走最快的運(yùn)營商線路。通過使用流控設(shè)備進(jìn)行管控, 才能讓訪問目標(biāo)網(wǎng)站的流量走最快、最穩(wěn)定的線路。

3.部署內(nèi)網(wǎng)緩存系統(tǒng)

把最常訪問的數(shù)據(jù)（網(wǎng)頁、圖片、視頻等）緩存到本地，用戶可直接從本地緩存服務(wù)器中訪問，大大加快訪問速度，同時節(jié)省出口帶寬。

4.貼身部署DNS，大大提高DNS響應(yīng)速度，同時拒絕解析無法訪問的域名

為用戶貼身部署DNS，減少由于配置了非校園網(wǎng)DNS服務(wù)器引入的網(wǎng)絡(luò)訪問延時。部分國外域名對應(yīng)IP長期無法訪問，而大量國外網(wǎng)站引用了其上的JavaScript資源或API等，造成網(wǎng)頁整體加載緩慢?？紤]到這些域名本身已不可達(dá)，因此在校園網(wǎng)DNS服務(wù)器上主動拒絕這些域名的解析，可避免用戶獲得并嘗試連接無法連通的IP地址，從而有效提升網(wǎng)站訪問速度。

5.持續(xù)調(diào)優(yōu)

各運(yùn)營商的國際互聯(lián)網(wǎng)出口，以及校內(nèi)的各種不同類型的訪問流量都不是一成不變的，所以想一勞永逸地實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的國際流量訪問比較困難，需要定期根據(jù)實(shí)際情況作出及時調(diào)整。

本文給出了一種評估用戶上網(wǎng)體驗的方法，通過全面系統(tǒng)的測試用戶上網(wǎng)延時并比較分析延時原因，進(jìn)而總結(jié)出具體的改進(jìn)措施。后續(xù)通過措施逐步實(shí)施，改善師生訪問校外網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。由于校園網(wǎng)各個出口運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及用戶體驗改善的長久性，未來在緩存系統(tǒng)、DNS部署以及根據(jù)校內(nèi)用戶不同類型的流量分別控制方面都還有許多的優(yōu)化空間。