摘要：文章詳細(xì)闡述了Web緩存技術(shù)的原理，研究了在具有Web緩存器的網(wǎng)絡(luò)中本地存儲(chǔ)器對(duì)請(qǐng)求對(duì)象拷貝傳送的過(guò)程，深入講解了Web緩存替換的思想，以及利用Web緩存如何有效的降低網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量，緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；流量；緩存；服務(wù)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 18-0000-02

1 引言

近年來(lái)，伴隨著網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的用戶(hù)接入到因特網(wǎng)中，使網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)量越來(lái)越繁重，網(wǎng)絡(luò)流量呈爆炸式增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)因特網(wǎng)的上網(wǎng)用戶(hù)和業(yè)務(wù)量幾乎平均每6個(gè)月就翻一番，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用以前所未有的速度增長(zhǎng)。用戶(hù)對(duì)Web服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)量過(guò)大，導(dǎo)致系統(tǒng)難以承受其壓力，如何緩解網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流量的增長(zhǎng)，減小訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)性能等一系列問(wèn)題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 Web緩存

Web緩存正是緩解這一矛盾的有效技術(shù)手段。Web緩存技術(shù)采用信息本地化的機(jī)制，將緩存器布置于距客戶(hù)端較近的位置，把客戶(hù)端最近請(qǐng)求過(guò)的對(duì)象的拷貝保存到本地緩存器中。采用Web緩存技術(shù)可以降低對(duì)初始服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)壓力，縮短用戶(hù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)由于需要到達(dá)初始服務(wù)器而產(chǎn)生的信息傳輸距離和時(shí)延。

3 Web緩存技術(shù)的原理

那么，Web緩存技術(shù)的工作原理是怎樣實(shí)現(xiàn)的，我們看一下客戶(hù)端瀏覽器對(duì)一個(gè)對(duì)象的請(qǐng)求過(guò)程。當(dāng)瀏覽器準(zhǔn)備請(qǐng)求一個(gè)對(duì)象時(shí)，首先瀏覽器與Web緩存器之間建立一個(gè)TCP連接，客戶(hù)端瀏覽器向Web緩存器中的對(duì)象發(fā)送一個(gè)HTTP請(qǐng)求。Web緩存器將檢查本地磁盤(pán)空間中是否對(duì)該對(duì)象的拷貝進(jìn)行了存儲(chǔ)，如果在本地存儲(chǔ)空間中找到了該對(duì)象的儲(chǔ)存副本，則Web緩存器就用HTTP響應(yīng)報(bào)文將該對(duì)象的拷貝發(fā)送給客戶(hù)端瀏覽器，這時(shí)的Web緩存器就相當(dāng)于初始服務(wù)器，因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中Web緩存器具與初始服務(wù)器同樣的功能，接收了瀏覽器的請(qǐng)求，并發(fā)回了HTTP響應(yīng)報(bào)文。當(dāng)Web緩存器在本地存儲(chǔ)空間中未找到該請(qǐng)求對(duì)象的存儲(chǔ)副本，它就會(huì)與該對(duì)象的初始服務(wù)器建立TCP連接，Web緩存這時(shí)就相當(dāng)于客戶(hù)端瀏覽器。它會(huì)向初始服務(wù)器發(fā)送獲取該對(duì)象的HTTP請(qǐng)求，初始服務(wù)器在接到請(qǐng)求后，將請(qǐng)求的對(duì)象發(fā)送給Web緩存器。Web緩存器接收到該請(qǐng)求對(duì)象后，在本地存儲(chǔ)器中保存該對(duì)象的副本，利用與客戶(hù)端瀏覽器已經(jīng)建立起來(lái)的TCP連接發(fā)送拷貝對(duì)象到客戶(hù)端瀏覽器，如有其他用戶(hù)再次請(qǐng)求該對(duì)象時(shí)，Web緩存器就可以從本地存儲(chǔ)中直接提取最初從初始服務(wù)器中請(qǐng)求的該對(duì)象的拷貝，由Web緩存器直接發(fā)送給用戶(hù)執(zhí)行初始服務(wù)器的功能。從Web緩存器工作的過(guò)程我們看到，Web緩存器既是客戶(hù)端又是服務(wù)器。

4 Web緩存替換

Web緩存空間是有限的，隨著時(shí)間的推移，緩存中剩余的空間將不足以存儲(chǔ)新的請(qǐng)求對(duì)象，先前儲(chǔ)存過(guò)的一些拷貝對(duì)象將與初始服務(wù)器內(nèi)存儲(chǔ)的剛剛更新過(guò)的對(duì)象產(chǎn)生差異。為了更好的利用有限的存儲(chǔ)資源，Web緩存器會(huì)保留價(jià)值較高的訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象，將價(jià)值較低的訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象移出緩存，以便存儲(chǔ)當(dāng)前更具有價(jià)值的信息。緩存替換的方法一般會(huì)基于以下幾種思想：

4.1 基于用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間的間隔

最近一次用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)對(duì)象的時(shí)間離現(xiàn)在越遠(yuǎn)，今后該對(duì)象被訪(fǎng)問(wèn)的可能性也就越小，越適宜被替換?；谶@種思想在Web緩存中可以根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求對(duì)象的時(shí)間間隔長(zhǎng)短作為緩存替換的依據(jù)。在Web緩存器中請(qǐng)求間隔小的對(duì)象在某種意義上代表著這個(gè)請(qǐng)求對(duì)象在將來(lái)被其他用戶(hù)再次請(qǐng)求的機(jī)會(huì)也更大。依據(jù)這一原則，Web緩存器可以根據(jù)緩存器中實(shí)際剩余空間的大小，把請(qǐng)求時(shí)間間隔大的文件信息替換掉，按照請(qǐng)求時(shí)間長(zhǎng)短依次淘汰那些請(qǐng)求時(shí)間間隔相對(duì)較大的信息資源。

4.2 基于用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)頻率

最近被訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的對(duì)象在將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)被訪(fǎng)問(wèn)的命中率會(huì)較大，從Web緩存中移出命中率較小的對(duì)象拷貝，保留命中率相對(duì)較高的訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象的拷貝，將訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象的命中率作為緩存替換依據(jù)。

用戶(hù)請(qǐng)求對(duì)象的命中次數(shù)與用戶(hù)請(qǐng)求對(duì)象的總數(shù)之比為命中率，命中率是衡量緩存性能的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)一個(gè)用戶(hù)發(fā)出HTTP請(qǐng)求時(shí)，這次請(qǐng)求的對(duì)象數(shù)據(jù)正好已經(jīng)在Web緩存器中存儲(chǔ)，我們稱(chēng)這樣的請(qǐng)求過(guò)程為一次“命中”，命中對(duì)象說(shuō)明這個(gè)請(qǐng)求對(duì)象先前曾被用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)過(guò)。在實(shí)際的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中，一些實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的對(duì)象雖然在當(dāng)時(shí)具有較高的命中率，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，已經(jīng)變得不再具有被訪(fǎng)問(wèn)的價(jià)值。Web緩存空間不可能無(wú)限制的增大，如果一直將這些對(duì)象保存在緩存中，會(huì)導(dǎo)致緩存空間的浪費(fèi)，所以在有限的空間條件下，必須從緩存空間中淘汰一些存儲(chǔ)價(jià)值較低的緩存數(shù)據(jù)來(lái)提高命中率，保障Web緩存器的服務(wù)性能。

4.3 基于對(duì)象大小

當(dāng)緩存剩余空間較小時(shí)，僅簡(jiǎn)單的考慮存儲(chǔ)對(duì)象大小，當(dāng)發(fā)生對(duì)象替換時(shí)，將容量最大的存儲(chǔ)對(duì)象從緩存空間中移出。這種思想是基于在緩存中移除更多的空間去存儲(chǔ)一些容量小而數(shù)量大的請(qǐng)求對(duì)象，這樣有可能提高命中率，因?yàn)閷⒆畲蟮膶?duì)象移出緩存之后，會(huì)有更多的空間容納其他請(qǐng)求對(duì)象供用戶(hù)去訪(fǎng)問(wèn)。

4.4 基于前綴緩存技術(shù)

Web磁盤(pán)緩存容量有限，完整的存儲(chǔ)大容量的視頻文件將占用緩存極大的空間。據(jù)研究分析，用戶(hù)在使用流媒體服務(wù)時(shí)，并不是觀看了整個(gè)視頻文件，很大一部分用戶(hù)是觀看了視頻文件的前一部分，而能一直觀看完該視頻文件的用戶(hù)卻很少。在這種情況下幾乎不會(huì)被訪(fǎng)問(wèn)到的視頻后半部分文件占用了大量的緩存空間，對(duì)緩存空間造成了極大的浪費(fèi)。前綴緩存技術(shù)就是將視頻文件的前一部分片段保存于緩存中，而后續(xù)的片段可以在用戶(hù)觀看視頻片段前部分的同時(shí)通過(guò)Web緩存器向初始服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求而后獲得，前綴緩存技術(shù)在未犧牲服務(wù)質(zhì)量的前提下有效地利用了緩存空間。

5 Web緩存降低了網(wǎng)絡(luò)流量

在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，一個(gè)安裝在高速局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的Web緩存器可以大大降低該局域網(wǎng)在因特網(wǎng)上產(chǎn)生的Web流量。因?yàn)楦咚倬钟蚓W(wǎng)的路由器通過(guò)一條帶寬容量相對(duì)較大的主干鏈路與因特網(wǎng)相連，局域網(wǎng)上的各個(gè)用戶(hù)會(huì)通過(guò)這條主干鏈路對(duì)因特網(wǎng)上的初始服務(wù)器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。用戶(hù)對(duì)初始服務(wù)器的請(qǐng)求需經(jīng)過(guò)多次的跳轉(zhuǎn)，每一次跳轉(zhuǎn)都會(huì)占用因特網(wǎng)上某一段鏈路的帶寬，增加網(wǎng)絡(luò)的流量，可能要經(jīng)過(guò)多次的跳轉(zhuǎn)才能達(dá)到請(qǐng)求對(duì)象的初始服務(wù)器，多次的跳轉(zhuǎn)增加了用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延，消耗了有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，大量的訪(fǎng)問(wèn)產(chǎn)生了大量的網(wǎng)絡(luò)流量，最終可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞。網(wǎng)絡(luò)中大約有超過(guò)80%的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的是20%的內(nèi)容，在局域網(wǎng)內(nèi)部安裝Web緩存器，研究表明Web緩存可使請(qǐng)求對(duì)象的命中率達(dá)到20%-70%。我們?nèi)?0%為局域網(wǎng)內(nèi)的命中率來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，安裝了Web緩存器的局域網(wǎng)可以緩解局域網(wǎng)內(nèi)給因特網(wǎng)帶來(lái)的40%的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)量，這40%用戶(hù)的請(qǐng)求立即會(huì)得到Web緩存器的響應(yīng)。也就是說(shuō)只有剩下60%的用戶(hù)需要經(jīng)過(guò)主干鏈路，去訪(fǎng)問(wèn)因特網(wǎng)上的初始服務(wù)器，而那40%用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)需求由Web緩存器就可以滿(mǎn)足，這樣這40%的用戶(hù)由于原先需要訪(fǎng)問(wèn)初始服務(wù)器而產(chǎn)生的流量在局域網(wǎng)內(nèi)部就會(huì)被終止，大大降低了因特網(wǎng)上的Web流量。

6 結(jié)束語(yǔ)

Web緩存充分利用了本地存儲(chǔ)技術(shù)，將頻繁用于訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁(yè)存儲(chǔ)于本地磁盤(pán)空間中。Web緩存器的應(yīng)用緩解了初始服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)壓力，同時(shí)大大縮短了客戶(hù)機(jī)請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間，從整體上降低了因特網(wǎng)上的Web流量，避免了因大量的業(yè)務(wù)流而發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)擁塞，改善了網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性能。

[作者簡(jiǎn)介]肖寧（1978-），男，遼寧開(kāi)原人，研究生，助理工程師，技術(shù)十一級(jí)，解放軍國(guó)防信息學(xué)院八系二十一隊(duì)，研究方向：軍事通信學(xué)。