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中国计算机报2000年第59期

各种Web与数据库接口技术的性能和瓶颈分析

　　Web与数据库的接口技术是各网站提供Internet信息服务的关键技术。除了常使用的CGI方式外，微软先后推出了IDC、ISAPI、ASP等方式，此外，Java-Applet也是Web与数据库接口的常用方法。


　　概 述


　　CGI（Common Gateway Interface：公共网关接口）定义了一种有关环境变量的组合、标准输入流和标准输出流的接口规范。当浏览器向Web服务器发出请求时，服务器通过执行一个外部程序来处理这一应用要求。

　　IDC（Internet Database Connector：Internet数据库连接器）使用IDC文件与HTX文件，IDC文件负责查询数据库，HTX文件负责把查询结果格式化之后，再输出到客户端。

　　ISAPI（Internet Server Application Programming Interface：Internet服务器应用程序接口）由两类组件组成：提供纵向功能层的ISAPI应用程序与提供横向功能层的ISAPI过滤器。当接收到一个客户端的请求时，服务器执行一个对应的ISAPI应用程序。ISAPI过滤器则可以实现所有请求所共有的某些功能要求，当过滤器中定义的事件在进程中发生时，服务器调用过滤器中相应的函数进行处理。

　　ASP（Active Server Pages：动态服务器页）是服务器端的脚本文件，可以是HTML，也可以是VBScript或JavaScript，ASP的目的是提供可编程HTML页来响应Web请求。

　　Java-Applet（Java小应用程序）与其它方式不同，当浏览器访问页面时，客户机要从Internet上下载附在网页上的Applet，其中包括能访问数据库的Applet。

　　为了进行这五种接口方式的性能与瓶颈分析，本文作者进行了大量的对比性测试，测试方法如下：

　　五种接口方式的评测都采用Windows NT操作系统平台及IIS的Web服务器。数据库采用SQL Sever 7.0与Oracle 8.0（以下分别简称“数据库S”和“数据库O”）。两种数据库中建有相同的数据表，每张表含有14个字段，并建立索引，且都有48218条相同的记录。数据来源于“上海证券交易所”的股票数据。测试时系统只运行所需测试的Web请求，无其它负荷。计算机配置为PentiumⅡ400、64M SDRAM内存以及33.6K/ISDN(64K)Modem。测试分为单机测试、远程测试(通过普通电话网与ISDN进行)与局域网测试三个步骤，其中局域网测试是用来研究并发访问的。由于在真正的Internet上，网络环境复杂，干扰因素多，故采用10Mbps的局域网环境替代。


　　性 能 分 析


　　接口速度

　　在50个并发访问、数据库精确查询13条记录的情况下，CPU的总处理时间如图1所示。


　　图1 速度对比

　　可见，这五种接口方式由快到慢依次为Java-Applet、ISAPI、ASP、IDC、CGI。在CGI方式下，对于每一个用户请求，CGI都要求服务器执行一个外部程序，这涉及到在操作系统中创建一个新进程。而ISAPI不同，它对于每一个请求创建的是线程，而不是进程，故系统开销小、速度快。其次，由于CGI方式在两个调用之间进程不能保持，所以CGI在每次调用时，数据库连接资源必须重建。而ISAPI通过扩展与过滤器的结合，可以实现数据库资源的驻留，所以ISAPI的速度要比CGI快许多。IDC、ASP均是线程级的开销，其速度都比CGI快，但IDC、ASP无法实现数据库资源的驻留，所以速度不如ISAPI。Java-Applet的速度是最快的（这里Java-Applet的速度是指Java-Applet下载到客户端后，与数据库连接的速度），这是因为它不用在服务器端运行程序，只需数据库系统提供查询结果即可。以上评价是针对多用户，且数据库是精确查询的情况，对于用户较少和模糊查询的情况，经测试，各接口方式的接口速度差别不大。

　　系统开销

　　是在50个并发访问、数据库精确查询13条记录，各接口的系统资源开销测试。CPU执行任务期间的平均负荷、内存的最高额外开销及CPU工作量分别如表1、表2和表3所示。其中，CPU执行任务期间的平均负荷的单位为CPU满负荷的百分比，内存的最高额外开销是系统处理50个并发访问期间内存使用量的增长额，单位为M（兆），CPU的总工作量是CPU平均负荷乘以完成任务的时间所得，它反映了为完成任务所消耗的CPU资源。

　　从内存负荷与CPU的工作量来看，开销由小到大依次为Java-Applet、ISAPI、IDC、ASP、CGI。对于每一个CGI请求，均会产生一个进程的内存与CPU开销，且无法驻留数据库资源，所以开销大。ISAPI只产生一个线程的开销，且驻留了数据库的资源，故开销小。而IDC与ASP虽是线程级开销，但无法驻留数据库资源，开销要比ISAPI大些，但远小于CGI。而Java-Applet从根本上就把运行程序移到了客户端，服务器端只需处理与客户端的JDBC连接，所以服务器端开销最小。CGI、IDC与ASP方式内存开销较大，在所用内存有限的情况下，服务器在用户访问高峰期会出现死机现象，所以不适合用户并发访问数量较大的网站。

　　安全性

　　这五种接口在安全性方面由高到低依次为ISAPI、ASP、CGI、IDC、Java-Applet。CGI、IDC、ASP均依赖于Microsoft在IIS中实现的验证机制。而ISAPI则可以通过编程，加强与完善Web Server的安全性能，它能通过过滤器取代或增加标准验证方案，这一接口可以在每次服务器需要验证用户身份和访问权限时被调用，而且可以通过过滤器来记载比IIS日志更为详细的日志记录，以供网络安全分析之用。Java-Applet的安全性讨论是另一层次上的讨论，因为它需考虑的并不是对Web Server的安全威胁，而是对客户端的威胁。Java的可移植性非常好，但可移植性与安全性本身就是一对矛盾。如果用户能够从网上透明且自由地下载Java程序，这会不可避免地带来许多安全性问题。如果Java-Applet受沙盒模型的限制，Java-Applet的功能发挥可能会受到限制；如果Java-Applet不受沙盒模型的限制，那么恶意删改客户端用户文件的Java-Applet无异于恶性病毒。

　　灵活性

　　这五种接口在灵活性上由高到低依次为Java-Applet、ISAPI、ASP、CGI、IDC。IDC的所有功能都依赖于SQL语句，众所周知，SQL语句的功能是极为有限的。CGI的灵活性较IDC好，因为它可以用服务器所支持的编程语言来扩展功能。ASP的灵活性又比CGI强，它不仅可以使用VB、VJ之类的语言，而且ASP本身也提供了功能丰富的控件，如在asa文件中，可以对session及application对象进行处理，这是CGI编程难以实现的。ISAPI不仅能够实现ASP实现的所有功能，而且还能用过滤器实现许多IDC、CGI和ASP所无法实现的功能。Java-Applet的灵活性是另一层次上的灵活性，因为IDC、CGI、ASP、ISAPI均是对客户端提供HTML文本，在客户端的功能无法超脱HTML语言的限制，而Java-Applet是下载到客户端运行的程序，这就超脱了HTML语言的限制。


　　瓶 颈 分 析


　　Web与数据库接口的过程实际上是一个从接口程序到数据库查询，再到结果反馈的全过程，这一复杂过程所牵涉到的瓶颈相关因素较多，分析如下：

　　网络传输速度

　　网络传输速度不同，在客户端产生的等待时间也不同。不同的传输延时差异与传输速度基本上成线性关系，提高网络速度有助于减少网络传输延时。图2所示是以单个用户进行远程访问为例，在33.6K Modem与64K ISDN的传输条件下,各样本页面的延时。

　　可见，不同的传输延时与传输速度基本上成线性关系，提高网络速度有助于减少延时。


　　图2 网络传输速度对瓶颈的影响

　　注： Sample13.htm为含有13条记录的网页；

　　Sample13e.htm为含有13条记录与一个E-mail图案的网页；

　　Sample86.htm为含有86条记录的网页；

　　Sample86e.htm为含有86条记录与一个E-mail图案的网页；

　　Sample700e.htm为含有700条记录与一个E-mail图案的网页；

　　Samplegra.htm为含有12幅房屋图案的网页。

　　

　　网页设计

　　由于图片在网络上传输要花费较长的时间，而Modem对文本文件又有较强的压缩功能，所以在设计网页时减少图片数量有助于提高客户端的响应速度。表4是以各样本页面为例，在33.6K Modem情况下其文件字节数、实际传输字节数和客户端的等待延时（单位：秒）。

　　多线程编程

　　多线程编程是针对ISAPI应用程序而言的。由于ISAPI接口采用了多线程工作方式，所以不可避免要出现临界区资源抢占问题。编写得不好的ISAPI多线程程序反而会适得其反，可能会减慢服务器的处理速度。在局域网环境中，若数据库O采用模糊查询方式，对服务器进行了13个用户的并发访问，并同时提交访问请求时，ISAPI的响应处理时间为35.6秒。而让这13个用户相继提交访问请求时，总处理时间却只为13.5秒。通过优化程序，缩短临界区范围，提高临界区代码的执行效率可有效抑制这一影响。


　　图3 SQL语句设计对瓶颈的影响

　　SQL语句设计

　　由于数据库在执行精确查询时，可依据索引精确定位，而对于模糊查询则要逐条匹配，所以即使对于同一执行目的，使用哪种查询方式也会对瓶颈产生影响。此外，对于组合查询，其查询条件的顺序安排也同样会对数据库的处理延时产生影响。图3是以模糊查询与精确查询13条记录为例，在25个并发访问情况下的CPU工作时间（单位：秒）对比情况。

　　数据库种类

　　由表1、表2可以分析得出：五种方式下，数据库O的CPU平均负荷均低于数据库S，数据库O的内存最高额外开销均高于数据库S。同时由图1可知，数据库O在NT上的处理时间是数据库S的5～20倍，这说明数据库S与NT的配合明显优于数据库O。而事实上，数据库O在大型数据库、高档的中小型计算机上的性能要超出数据库S，由此可见，要针对系统的具体情况选择合适的数据库。

　　数据库参数设置

　　数据库参数设置的不同，数据库性能的发挥也不同，进而在服务器端的查询速度也不一样。拿数据库O来说，对是否把表建在簇上，情况是不同的。对数据库性能的调整也是解决瓶颈问题的一个方面。


　　结 论


　　通过以上测试分析，可以得出以下两个结论：

　　各种接口的适用场合

　　根据各种接口性能对比、编程的难易程度与工作量等情况，可以总结出五种接口方式各自的适用场合，如表6所示。

　　瓶颈的解决途径探讨

　　通过瓶颈来源的测试分析，可以总结出以下几点改善措施：

　　●提高网络传输速度；

　　●在网页设计时尽可能减少耗时的媒体；

　　●分流并发访问的用户；

　　●选择较快的接口方式；

　　●提高Web程序的编写质量；

　　●根据操作系统、硬件性能、数据量选取合适的数据库；

　　●邀请富有经验的数据库管理员来调配数据库的参数设置；

　　●SQL语句要精心设计。

　　目前网站大多使用较为简单的网页，如上海热线“证券之星”的典型网页，使用33.6K的Modem，网络上的传输延时仅为1.2秒。所以，要解决Web与数据库接口的瓶颈问题，应把主要精力放在数据库性能调整与接口方式的选择上。在选择接口方式时，虽然当前网络带宽较窄，下载Java-Applet的初始化时间较长，掩盖了它的高速度特性，但随着互联网传输速度的提高，网络传输延时将最终得以解决，因此完全有理由相信：Java-Applet将最终成为Web与数据库接口方式的主流！