Ｗｅｂ應(yīng)用中縮短Ｗｅｂ響應(yīng)時(shí)間的技術(shù)研究

摘 要：縮短Web訪問中的用戶感知時(shí)間，提高網(wǎng)站性能是Web應(yīng)用程序開發(fā)中一個(gè)極為重要的問題。從軟件處理數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，針對(duì)Web應(yīng)用程序的特點(diǎn)，從優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問以及Web數(shù)據(jù)顯示2個(gè)方面分別討論如何縮短Web數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間，以達(dá)到縮短用戶感知時(shí)間的方法。并利用ACT測(cè)試工具對(duì)進(jìn)行測(cè)試，并給出了這些方法的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)。驗(yàn)證本文所提出的方法能極大地優(yōu)化Web應(yīng)用程序的應(yīng)用，有效地縮短用戶的感知時(shí)間。

關(guān)鍵詞：Web應(yīng)用；Web響應(yīng)時(shí)間；XML；緩存

Research on Reducing Web Response Time in the Application of Web

HANG Xiaoli1，YU Haiyan2

(1.Xi′an Areotechnical College，Xi′an，710077，China;2.Xi′an Institute of Post and Telecommunications，Xi′an，710061，China[J]

Abstract：Reducing User Perceived Latency (UPL during Web accessing and promoting efficiency in Web application is a key issue.This paper proposes a method to reduce Web response time in order to reduce UPL，which is based on data processing in two aspects，including optimization of data access and web data display.This method has been tested by ACT tools and shows the applied effect of these methodswith testing data.The results have proved that this method can effectively reduce UPL and improve the overall performance of a Web application.

eywords：Web application；Web response time；XML；cache

1 引 言

性能是Web應(yīng)用程序成功與否的關(guān)鍵因素，響應(yīng)時(shí)間則是性能的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其是從用戶的角度來看，隨著同時(shí)訪問的用戶數(shù)的增加，Web應(yīng)用程序的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，當(dāng)其增加到用戶無法接受的程度時(shí)，用戶便會(huì)失去耐心而離開該網(wǎng)站。根據(jù)ona Research^［1］的研究指出，如果使用者等待下載網(wǎng)頁(yè)的時(shí)間超過8 s，將有30%的用戶選擇停止瀏覽網(wǎng)頁(yè)，同樣的研究表明，如果下載網(wǎng)頁(yè)的時(shí)間縮短1 s，則這個(gè)數(shù)字將從30%降低到8%。由此可見終端用戶所感到的時(shí)間延遲^［2］（user-perceived latency）已經(jīng)成為今天Internet的主要性能問題。

在網(wǎng)絡(luò)帶寬并沒有得到相對(duì)擴(kuò)充、網(wǎng)絡(luò)流量絕對(duì)增加的情況下，是否能找到一些有效的辦法，縮短整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶click的響應(yīng)時(shí)間。本文針對(duì)這一問題，從Web應(yīng)用程序開發(fā)的角度出發(fā)，通過提高Web應(yīng)用程序的性能，從而加速網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶的反應(yīng)速度，縮短用戶感知的時(shí)間延遲。

2 Web數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間

從終端用戶的觀點(diǎn)看，從瀏覽器對(duì)網(wǎng)站發(fā)出一個(gè)HTTP GET的請(qǐng)求，一直到網(wǎng)站服務(wù)器完整地傳回網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容至瀏覽器的這段過程可以描述為圖1所示的時(shí)序圖。

客戶端和Web服務(wù)器之間HTTP信息的傳送是通過TCP連接實(shí)現(xiàn)的。圖1描述Web請(qǐng)求中的所有時(shí)間延遲?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送文件請(qǐng)求，首先建立TCP連接（1~3），連接建立后，Web服務(wù)器響應(yīng)且發(fā)送文件至客戶端，客戶端接受文件且在屏幕上顯示出來（4~5）。如果文件中包含圖片或者需要在屏幕上顯示的處理數(shù)據(jù)，客戶端瀏覽器就需要發(fā)送請(qǐng)求去檢索獲取這些數(shù)據(jù)（6~n）。整個(gè)Web頁(yè)面在屏幕上顯示，其中可能含有連接，如果用戶點(diǎn)擊連接，瀏覽器就需要使用同樣的過程檢索新的頁(yè)面。

根據(jù)圖1和以上分析，定義如下的概念： 

3 減少數(shù)據(jù)顯示的響應(yīng)時(shí)間

目前的Web應(yīng)用開發(fā)大多采用基于B/S模式的3層架構(gòu)，如圖2所示。

分層分離了邏輯，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次明晰，系統(tǒng)變得靈活和易于維護(hù)。圖2很好地說明了Web中的分層架構(gòu)，同時(shí)也描述Web頁(yè)面提取數(shù)據(jù)顯示的過程，以下從軟件處理數(shù)據(jù)的角度分別討論如何縮短數(shù)據(jù)訪問及Web數(shù)據(jù)顯示延遲，從而縮短Web數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間，減少用戶感知時(shí)間，提高用戶的滿意度。

3.1 數(shù)據(jù)訪問的優(yōu)化

對(duì)數(shù)據(jù)的訪問速度很大程度上影響應(yīng)用系統(tǒng)的性能，如果被請(qǐng)求的頁(yè)面是一個(gè)靜態(tài)頁(yè)面或只有一小部分內(nèi)容需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取，則它的加載速度比那些需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中大量讀取數(shù)據(jù)或不斷從數(shù)據(jù)庫(kù)接收和更新數(shù)據(jù)的頁(yè)面要快，因此，對(duì)于動(dòng)態(tài)的頁(yè)面來說，對(duì)SQL層數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化就顯得非常重要。在Web開發(fā)中，除了傳統(tǒng)的改善數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化SQL語(yǔ)句外，主要從以下的幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.1 使用XML技術(shù)

對(duì)于普通數(shù)據(jù)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)而言，在數(shù)據(jù)量不大的情況下，一般性查詢?cè)趫?zhí)行速度上，不會(huì)有什么問題。每次數(shù)據(jù)提取需要1次網(wǎng)絡(luò)往返，這在應(yīng)用程序處理海量結(jié)果集時(shí)會(huì)影響性能。比如每次查詢數(shù)據(jù)在十萬數(shù)量級(jí)，速度問題就會(huì)暴露出來。但是實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，在匯總統(tǒng)計(jì)查詢中，用戶查詢頻繁但變動(dòng)并不大，因此可以考慮借助XML獲取數(shù)據(jù)來解決上述的問題。

采用XML技術(shù)，可將查詢的結(jié)果生成XML文件保存在Web服務(wù)器上，使客戶端能夠直接和XML文件進(jìn)行交互，以節(jié)省訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的資源；同時(shí)也可以將XML傳送到客戶端，在客戶端恢復(fù)為數(shù)據(jù)集，此后就可以直接在客戶端進(jìn)行一些操作，而不必和服務(wù)器交互，建立非連接的數(shù)據(jù)訪問以節(jié)省時(shí)間。這里采用以下的算法過程利用XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。

（1） 建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接，生成查詢結(jié)果數(shù)據(jù)集（DataSet）；

（2） 用XmlDataDocument將查詢結(jié)果集（DataSet）以XML形式保存在Web服務(wù)器的指定目錄下，同時(shí)斷開數(shù)據(jù)庫(kù)連接；

（3） 一旦用戶發(fā)送訪問請(qǐng)求，首先查詢Web服務(wù)器指定目錄下是否有滿足條件的XML文件，如果存在轉(zhuǎn)（4），否則轉(zhuǎn)（1）；

（4） 創(chuàng)建XmlDataDocument對(duì)象，并用其Load方法加載該XML文件；

（5） 利用XPath或者XQuery查詢技術(shù)，查詢已加載的XML文件，生成相應(yīng)的結(jié)果集。

從上面的過程可以看出，一旦有用戶發(fā)送查詢請(qǐng)求，首先將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為XML文檔，保存在Web服務(wù)器上，然后查詢XML文件中的數(shù)據(jù)，獲取查詢結(jié)果。之后如果有新的請(qǐng)求查詢相同的記錄時(shí)，可以直接從Web服務(wù)器的XML文件中提取數(shù)據(jù)而不用再訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。這對(duì)于用戶頻繁的查詢匯總操作中，優(yōu)勢(shì)非常明顯，且效率很高。這種思想在邏輯上將數(shù)據(jù)的生成和操作分開，同時(shí)節(jié)省了和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器建立連接的時(shí)間，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)服務(wù)器端XMl文件的讀取，有效地減輕了對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的負(fù)荷。

3.1.2 使用連接池

建立Web應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的TCP連接時(shí)，DBMS需要為其分配多種資源，而在釋放連接時(shí)，DBMS需要釋放掉這些資源，分配和釋放資源都是比較耗時(shí)的工作，因此反復(fù)建立和釋放連接勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。實(shí)際上，大多數(shù)應(yīng)用程序僅使用1個(gè)或幾個(gè)不同的連接配置。這意味著在執(zhí)行應(yīng)用程序期間，許多相同的連接將反復(fù)地打開和關(guān)閉。為了使打開的連接成本最低，ADO.NET使用連接池的優(yōu)化方法。

連接池技術(shù)能夠能重用到數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，而不是每次請(qǐng)求都建立新的TCP連接，新連接僅在連接池中得不到連接時(shí)才建立。當(dāng)連接被關(guān)閉時(shí)，它被返回到連接池中，在那里它仍然保持與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，與完全斷開TCP連接相反。池進(jìn)程保持物理連接的所有權(quán)。通過為每個(gè)給定的連接配置保留一組活動(dòng)連接來管理連接。只要用戶在連接上調(diào)用Open，池進(jìn)程就會(huì)檢查池中是否有可用的連接。如果某個(gè)池連接可用，會(huì)將該連接返回給調(diào)用者，而不是打開新連接。應(yīng)用程序在該連接上調(diào)用Close時(shí)，池進(jìn)程會(huì)將連接返回到活動(dòng)連接池集中，而不是真正關(guān)閉連接。連接返回到池中之后，即可在下一個(gè)Open調(diào)用中重復(fù)使用。

池連接可以大大提高應(yīng)用程序的性能和可縮放性。默認(rèn)情況下，ADO.NET中啟用連接池。除非顯式禁用，否則，連接在應(yīng)用程序中打開和關(guān)閉時(shí)，池進(jìn)程將對(duì)連接進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 表示層的數(shù)據(jù)顯示

對(duì)于優(yōu)化B/S下的數(shù)據(jù)顯示方面，主要考慮數(shù)據(jù)傳輸量的大小，數(shù)據(jù)傳輸量的大小是決定顯示響應(yīng)速度的必要前提，這一點(diǎn)是B/S的弱項(xiàng)。數(shù)據(jù)傳輸量是指在客戶端Web瀏覽器和Web服務(wù)器之間傳送的數(shù)據(jù)量。在用VS.NET開發(fā)程序的過程中，通過減少網(wǎng)絡(luò)的通信量減少IE瀏覽器和Web服務(wù)器層之間的數(shù)據(jù)傳數(shù)量，縮短用戶感知時(shí)間。

3.2.1 使用緩存技術(shù)

合理有效地設(shè)計(jì)和使用緩存是優(yōu)化應(yīng)用系統(tǒng)性能的重要手段，在基于Web的支持大量用戶的系統(tǒng)開發(fā)中，這一點(diǎn)尤為明顯。ASP.NET中的緩存能夠提供性能和伸縮性的最大效益、利用有效的緩存、可以避免Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的網(wǎng)絡(luò)往返，繞過占用很多資源的計(jì)算，并節(jié)省服務(wù)器資源，同時(shí)改善響應(yīng)時(shí)間和等待時(shí)間。

ASP.NET的緩存服務(wù)是一種提高服務(wù)器性能、降低服務(wù)器資源浪費(fèi)的有效方法。對(duì)于安全性要求高的應(yīng)用程序，采用在 WEB 服務(wù)器上維護(hù)緩存數(shù)據(jù)的方式可以有效地提高頁(yè)面性能^［2］。ASP.NET的緩存對(duì)各個(gè)應(yīng)用來說是私有的，是存儲(chǔ)各種對(duì)象的存儲(chǔ)器，緩存的生存周期取決于應(yīng)用的生存周期，當(dāng)應(yīng)用重新啟動(dòng)時(shí)，緩存實(shí)際上已重建。

Cache實(shí)現(xiàn)了最近最少使用（least-recently-used）替換算法，允許ASP.NET強(qiáng)制Cache清除操作——如果可用內(nèi)存下降到低水平——?jiǎng)t自動(dòng)從Cache中刪除不使用的項(xiàng)目。另外Cache支持依賴性到期特性，它能強(qiáng)制包括時(shí)間、鍵值、文件失效。其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

用ASP.NET內(nèi)置的多級(jí)緩存功能，緩存訪問過的ASP.NET頁(yè)面，從而降低Web服務(wù)器的負(fù)載，并通過更高效地提供被緩存的文件而改善WEB系統(tǒng)的性能。ASP.NET提供了幾個(gè)級(jí)別的緩存。首先，當(dāng)—個(gè)ASPX程序第一次被調(diào)用的時(shí)候會(huì)被編譯，編譯成功之后，生成的代碼會(huì)自動(dòng)緩存，所以重復(fù)運(yùn)行ASP.NET程序的效率會(huì)有很大的提高。除此之外，ASP.NET還提供輸出緩存（也叫頁(yè)面緩存）、數(shù)據(jù)緩存（也叫應(yīng)用程序緩存）和碎片緩存（也叫部分頁(yè)面緩存）。

緩存提供一個(gè)簡(jiǎn)單的字典接口，以便于對(duì)象放置到緩存中并在以后使用。最簡(jiǎn)單的情況下，放置一個(gè)對(duì)象到緩存中，就如同對(duì)字典增加一個(gè)條目。在緩存策略上采用“文件和鍵值依賴”策略。從外部文件或者是其他緩存鍵值是否改變來決定本身鍵值是否有效。如果依賴發(fā)生改變，緩存對(duì)象將變得不可使用并從緩存中移動(dòng)出來，從而更新緩沖。代碼如下：

//從數(shù)據(jù)庫(kù)文件中讀取數(shù)據(jù)

DataSet ds =new DataSet(;

FileStream fs=new FileStream(ServerMapPath(\"Records.xml\"，F(xiàn)ileMode.Open，F(xiàn)ileAccess.Read;

StreamReader reader=new StreamReader(fs;

ds.ReadXml(reader;

fs.Close(;

Source=new DataView(ds.Tables［0］;

//實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存

Cache.Insert(\"MyData\"，Source，new System.Web.Caching.CacheDependency(ServerMapPath(\"Records.xml\";

3.2.2 避免服務(wù)器和客戶端的交互

HTTP是用于WWW客戶機(jī)和服務(wù)器之間進(jìn)行信息傳輸?shù)膮f(xié)議，它是一種請(qǐng)求響應(yīng)類型的協(xié)議：客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器收到請(qǐng)求后進(jìn)行處理，對(duì)這個(gè)請(qǐng)求作出回答。Web瀏覽器包含了許多的HTTP請(qǐng)求，每一個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)小型文件，HTTP對(duì)每一個(gè)HTTP請(qǐng)求需要建立1個(gè)獨(dú)立的TCP連接。

因此，客戶端的每次請(qǐng)求將會(huì)引起客戶端和服務(wù)器間的一次通信，頻繁的操作勢(shì)必對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間造成嚴(yán)重的影響。為避免不必要的TCP連接建立，通常只需在向服務(wù)器查詢或更新數(shù)據(jù)時(shí)才觸發(fā)客戶端與服務(wù)器之間的信息交互。能在客戶端執(zhí)行的數(shù)據(jù)操作應(yīng)盡可能的用客戶端腳本(如Javascript實(shí)現(xiàn)。例如，對(duì)用戶輸入數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，應(yīng)該盡量在客戶端進(jìn)行校驗(yàn)，再將數(shù)據(jù)提交給服務(wù)器。

3.2.3 利用DTO減少遠(yuǎn)程調(diào)用次數(shù)

在分布式架構(gòu)中，相關(guān)層在物理部署上實(shí)現(xiàn)分離，通過網(wǎng)絡(luò)或跨進(jìn)程調(diào)用遠(yuǎn)程對(duì)象或服務(wù)。在這種分布式架構(gòu)中，必須先找到遠(yuǎn)程對(duì)象位置，而且建立與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的連接，然后才能將數(shù)據(jù)串行化為字節(jié)流，然后可能進(jìn)行加密，最后才能將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。遠(yuǎn)程調(diào)用需要跨越網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)程，因此會(huì)比較慢。

避免遠(yuǎn)程調(diào)用中固有的滯后時(shí)間問題的最佳方法是進(jìn)行更少的調(diào)用，并讓每個(gè)調(diào)用傳遞更多的數(shù)據(jù)，這可以通過定義有效的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象（Data Transfer Object，DTO）來實(shí)現(xiàn)層與層之間的數(shù)據(jù)傳輸。

創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象(DTO，用該對(duì)象包含遠(yuǎn)程調(diào)用所需要的所有數(shù)據(jù)。修改遠(yuǎn)程方法簽名，以便將DTO作為單個(gè)參數(shù)接受，并將單個(gè)DTO參數(shù)返回給客戶端。在調(diào)用方應(yīng)用程序收到DTO并將其作為本地對(duì)象存儲(chǔ)之后，應(yīng)用程序可以分別對(duì)DTO發(fā)出一系列單獨(dú)的過程調(diào)用，而不會(huì)引發(fā)遠(yuǎn)程調(diào)用開銷。如圖4所示。

在圖4中，DTO允許遠(yuǎn)程對(duì)象在單個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)用中將整個(gè)客戶名稱返回給客戶端，這就將調(diào)用次數(shù)從3次減為1次?？蛻舳诉M(jìn)行單個(gè)調(diào)用，然后在本地與DTO交互，而不用進(jìn)行多次遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器。通過使用DTO，在單一遠(yuǎn)程調(diào)用中傳輸更多的數(shù)據(jù)信息，減少遠(yuǎn)程調(diào)用的次數(shù)，提高分布式調(diào)用的性能。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

以上方案已在開發(fā)系統(tǒng)中得到實(shí)際的應(yīng)用，并取得了良好的效果。為了測(cè)試以上方案的有效性，這里選取系統(tǒng)中有代表的頁(yè)面，利用VS.NET中的ACT（Application Center Test）工具進(jìn)行壓力測(cè)試。在不考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的情況下，分別測(cè)試原始頁(yè)面和改進(jìn)后的頁(yè)面，得到表1詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果：

從表1中可以看出，采用上述方案生成的頁(yè)面無論是在每秒平均請(qǐng)求數(shù)還是平均響應(yīng)時(shí)間上，都有數(shù)量級(jí)的提高，極大地提高了系統(tǒng)的性能，縮短了Web頁(yè)面的響應(yīng)時(shí)間，從而縮短用戶感知延遲時(shí)間，提高用戶的滿意度。

5 結(jié) 語(yǔ)

在B/S結(jié)構(gòu)的開發(fā)中，響應(yīng)時(shí)間是一個(gè)很重要的指標(biāo)。本文針對(duì)Web應(yīng)用程序的特點(diǎn)，從軟件處理數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，從優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問以及Web數(shù)據(jù)顯示2方面提出了縮短Web響應(yīng)時(shí)間方案，并利用ACT測(cè)試工具對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行壓力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此方案的可行性。除此之外，還可以通過優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，合理配置應(yīng)用服務(wù)器所提供的性能優(yōu)化選擇，合理配置編譯器選項(xiàng)等方法對(duì)提高Web應(yīng)用的總體性能。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ona Research，The Economic Impacts of Unacceptable Web-Site Download Speeds，April 1999.http://www.webperf.net/info/wp_downloadspeed.pdf.

［2］Cohen E，aplan H.Prefetching the Means for Document Transfer: A New Approach for Reducing Web Latency［A］.Proceedings of the IEEE INFOCOM'2000［C］.Piscataway(NJ: IEEE，2000，2:854-863.

［3］Habib M，Abrams M.Analysis of Sources of Latency in Downloading Web Pages［A］.Proceedings of WebNetWorld Conference of the WWW，Internet，and Intranet［C］.San Antonio(TX: IEEE，2000:227-232.

［4］Foygel D，Strelow D.Reducing Web Latency with Hierarchical Cache based Prefetching.in Proc.of the International Workshop on Scalable Web Services，(in conjunction with ICPP'00，Toronto，Ontario，Canada，2000:47-57.