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Web Services/XML One, München, 2003-05-14
Performancemessung und –vergleichvon SOAP-basierten Web Services
Prof. Mario Jeckle
Fachhochschule Furtwangenmario@jeckle.de
http://www.jeckle.de
Perf
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3M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
jeck
le.d
eInhaltsübersicht
• Einführung und Motivation:
Verteilungsarchitekturen und Einflußfaktoren auf ihre
Leistungsfähigkeit
• Methoden der Leistungsbewertung
• Methodik zur technologieneutralen Leistungsbewertung
• Meßergebnisse und ihre Interpretation
– Java Remote Method Invocation (RMI)
– Common Object Request Broker Architecture (CORBA)
– SOAP
• Ableitung übertragbarer Optimierungsansätze
Ansätze eines analytischen Modells
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4M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
jeck
le.d
eEinführung und Motivation
Was ist Performance?• Antwortzeit• Netzlast• Auslastung
Viel ist besser als mehr!... aber ... • wieviel ist genug?• was liefert welche (Tuning-)Maßnahme?• was bieten existierende Alternativen?
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5M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
jeck
le.d
eEinführung und Motivation
Datenhaltung
Anwendungslogik
Präsentations-aufbereitung
Präsentation
HTTP, SSL, SOAP, ...
RMI, CORBA, ...
ESQL, JSQL, O/JDBC,...
„klassische“4-Schichtenarchitektur
Einflußfaktorenauf die „gefühlte“ Performance
Problem-bearbeitung
(„Business Logik“)
Übertragung
Verteilung
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6M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
jeck
le.d
eEinführung und Motivation
Einflußfaktorenauf die „gefühlte“ Performance
Problem-bearbeitung
(„Business Logik“)
Übertragung
Verteilung
In diesem Vortrag betrachtet:
•RMI•CORBA•SOAP•HTTP
•Antwortzeit•Netzlast•CPU-Last
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8M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eMethoden zur Leistungsbewertung
AnalytischeMethoden Simulation Messung
Einsatz Entwurf, Konfigurations-bewertung, Engpaßanalye Systemauswahl
Ansatz mathematisch programmier-technisch Beobachtung
Realitäts-nähe undDetaillie-rungsgrad
geringbis
mäßig
geringbis
hoch
mäßigbis
sehr hoch
Werkzeuge gut sehr gut
häufigSpezialent-wicklung notwendig
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9M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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le.d
eMethoden zur Leistungsbewertung
Gewählter Ansatz Messung
Einsatz Existierende (kommerziell)verfügbare Systeme
Systemauswahl
Ansatz Beobachtung
Realitäts-nähe undDetaillie-rungsgrad
mäßigbis
sehr hoch
Werkzeuge
häufigSpezialent-wicklung notwendig
Interpretation systematischer Messungen
Umfangreiche Messungen,hohe Realitätsnähe
Eigenentwickeltes Verfahren,verfügbare Hilfstools
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10M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eGetestete Konfigurationen
• Standards: SOAP v1.1, HTTP/1.1• Ethernet 10Mbit/s, Rechner durch Hub verbunden• Client:
• AMD Athlon 1800Mhz• SUN J2SE v1.4.1_02-b06• Apache Axis v1.1 RC2• Windows XP Home
(v5.1 Build2600.xpsp1.020828-1920, SP1)
• Server: • Dual AMD Athlon 1200Mhz• SUN J2SE v1.4.1_02-b06• Apache Axis v1.1 RC2• Jakarta Tomcat v4.1.26• Apache v1.3.27• Perl v5.8.0
• Suse Linux v8.1 (Kernel 2.4.19)
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11M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eDurchgeführte Messungen
• >1.200.000 Einzelmessungenmit RMI, CORBA und SOAP
• Ausgewertet hinsichtlich
– Antwortzeit
– CPU-Last
• Interpretiert hinsichtlich
– Skalierungsverhalten
– Fehlersituationen
• Keinerlei Optimierungen
– Prozeßprioritätsmodifikationen
– Zeitgeber
– Netzverkehr
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12M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eMeßmethodik
• Ziel: – Ausschaltung verzerrender Backendeinflüsse
d.h. keine zusätzlichen Systemanforderungen oder Kommunikationsschritte
– Messungen am praxisnahen Beispield.h. kein „Spiel“-Web Service
– Skalierbarkeit der Meßmethodikd.h. unveränderter Dienst zur Messung beliebiger Kommunikationsgrößen
– Portabilität (horizontal und vertikal)d.h. hinsichtlich eingesetzer Verteilungsarchitektur (RMI, CORBA, SOAP) und eingesetzer Ausprägung einer konkreten Verteilungsarchitektur (SOAP-Toolkit, konkreter ORB)
– Anwendbarkeit für verschiedene Kommunikationstypend.h. Unterstützung für RPC- und Message-artige Kommunikation
– Protokollneutralitätd.h. keine Festlegung auf HTTP
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13M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eMeßmethodik
Nutzer
Ping Request(payload)
Web Service
•Ansatz:
–Orientierung am ICMP Echo-Dienst nach RFC 792 (Ping)
–Symmetrische Netzlasten
–Keine Serverlogik
–Praktisch keine Ansprüche an Ausführungsumgebung
–Ultra-schlanker Dienst (3-Zeilen Servercode!)
–Portabler Java-Client für Messungen
Ping Response(payload)
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14M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
Datenleitung
Ethernet, ...
IP, ...
• Direkter Vergleich der Meßergebnisse konzeptionell nur schwer möglich, da Protokolle auf unterschiedlichen Ebenen operieren...
• In der praktischen Anwendung wird dies jedoch vernachlässigt!
TCP, ... ICMP
HTTP, ... CORBARMI
SOAP
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15M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
I Kommunikationsgröße
Gemessen: 0-Byte großes Nutzdatenpaket
0106
308 1056
620 869
0 1298
0 500 1000 1500
ICMP
RMI
CORBA
SOAP
DiscoveryData
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16M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
I Kommunikationsgröße
Gemessen: 10.000-Byte großes Nutzdatenpaket
0 20492
308 20851
1489 20818
0 21300
0 5000 10000 15000 20000 25000
ICMP
RMI
CORBA
SOAP
DiscoveryData
Perf
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17M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
I Kommunikationsgröße• SOAP:
• 0-Byte Nutzlast = 1298 Byte (gemessen)• 20.000-Byte Nutzlast =
• CORBA:• 0-Byte Nutzlast = 869 Byte (gemessen)• 20.000-Byte Nutzlast = 20869 (Erwartungswert)
• RMI• 0-Byte Nutzlast = 1056 Byte (gemessen)• 20.000-Byte Nutzlast = 21056 (Erwartungswert)
=> Kommunikationsgröße skaliert linear!
21298 (Erwartungswert)21300 (gemessen)(Abweichung 0,1%)
^
20818 (gemessen)(Abweichung 0,2%)
^
^^
20851 (gemessen)(Abweichung 1%)
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18M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eEinordnung von SOAP in der
Protokollhierarchie
TCP
IP (v4, v6), X.25, SPX, IPX
HDLC, SLIP, PPP, Ethernet, IEEE 802.x
analoges Modem, V. 90, ISDN, ADSL
UDP
HTTP SMTP HTTPSMIME BEEP
SOAP
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19M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
I Kommunikationsgröße
308 1056
620 869
0 1298
0 1026
0 500 1000 1500
RMI
CORBA
SOAP
TCP-SOAP
DiscoveryData
0-Byte großes Nutzdatenpaket
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20M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
Deutlich sichtbar: HTTP-Overhead bei SOAP
0
5
10
15
20
25
30
10 40 70 100
175
300
450
700
1000
1750
Nutzdatengröße [Byte]
An
two
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it [
ms]
ICMP-PingRMICORBASOAP
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21M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
Kommunikationszeit skaliert exponentiell,trotz linear skalierender Kommunikationslast?
0
100
200
300
400
500
600
700
0 50 100
250
500
1000
2500
5000
1000
0
4000
0
Paketgröße [Byte]
An
two
rtze
it [
ms]
ICMP-PingRMICORBASOAP over HTTP
Perf
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22M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10
Paketgröße [Byte]
An
two
rtze
it [
ms]
CORBASOAPRMI
RMI CORBA SOAP4500B: 10ms 5000B: 10ms 3500B: 26ms5000B: 58ms 6000B: 60ms 4000B: 324ms
(a) (b)
(a)(b)
Perf
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23M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
• Beobachtung: Reproduzierbare emergente extreme Schwankungen („vorherseh- aber unvorhersagbare Ausreißer“)
• Erklärung: Ethernet-Kollisionsbedingte Überschreitung der TCP Retransmission-Time (RTO)
0
200
400
600
800
1000
1200
4000
4500
5000
6000
7000
8000
9000
1000
015
000
2000
025
000
3000
040
000
5000
060
000
1000
00
Nutzdaten [Byte]
An
two
rtze
it [
ms]
RelativeMeßunsicherheit = 18%
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24M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II KommunikationszeitWeb Service
...HTTP Continuation
Sequence No=2081, Next Seq. No=3541
HTTP ContinuationSequence No=3541, Next Seq. No=5001
HTTP ContinuationSequence No=5001, Next Seq. No=5003
Nutzer
AcknowledgeACK=3541
AcknowledgeACK=5001
HTTP ContinuationSequence No=5001, Next Seq. No=5003
0,05ms
0,16ms
0,16ms
0,05ms
210ms
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25M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
• Hintergrund:• TCP (RFC 675) errichtet ein
verbindungsorientiertes Protokoll ausgehend vom verbindungslosen IP.
• Einführung des Retransmission Time Outsdurch RFC 2988 (Algorithmus nach V. Jacobson).
• Retransmission Time Out:• Ziel: Dynamische Erkennung der
Zeitspanne nach der „sicher“ ein Paketverlust angenommen werden kann.
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e
0,000
500,000
1000,000
1500,000
2000,000
2500,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
PaketnummerR
TT
[m
s]
ErgebnisseII Kommunikationszeit
RTO [ms] SRTT [ms] RTT [ms]1 30002 2254,017 2250,017 0,0663 1688,286 1687,590 0,3124 1266,261 1265,714 0,0865 949,839 949,305 0,0766 712,477 711,991 0,0517 534,075 534,013 0,0808 400,588 400,531 0,0829 300,492 300,408 0,040
10 225,458 225,306 0,00211 169,124 168,992 0,04912 135,407 127,713 3,87713 104,815 96,594 3,23514 79,879 73,139 2,774
Retransmission Time Out
SRTTi=0,75*SRTTi-1+0,25*RTTiRTOi=SRTTi+4*StaAbw(RTTi-1, RTTi-2, ...)
RTT: Round Trip TimeRTO: Retransmission Time OutSRTT: Smoothed Round Trip Time
• RTT: GemesseneÜbertragungsdauern
• SRTT: Glättung durch Ein-bezug „historischer“ Werte
• RTO: Erwartungswert undToleranzschwelle fürzukünftige Übertragungs-dauern
Perf
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27M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II KommunikationszeitRetransmission Time Out und CSMA/CD-Netze
• Spontanes unkoordiniertes Versenden von Paketen über Netzwerk kann zu Kollisionen führen.
• Im Kollisionsfalle unternehmen die betroffenen Netzwerkkomponenten applikationstransparent einen erneuten Sendevorgang.
• Nimmt dieser erneute Versuch zuviel Zeit in Anspruch oder muß (aufgrund erneuter Kollisionen) mehrmals vorgenommen werden, so können Pakete später eintreffen als die RTO-Schelle als Akzeptanzgrenze festlegt.
• Betroffen: Alle TCP-basierten Protokolle (damit auch RMI, CORBA und SOAP) mit besonderer Anfälligkeit für starkbelastete Netze.
Perf
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28M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
Auftretende Paketfehler („verlorene Pakete“)durch Überschreitung des Retransmission Time Outs.
Gemessen: SOAP 200.000-Byte Nutzdatengröße
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29M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 40 80 150
300
500
900
1750
3500
6000
1000
0
3000
0
1000
00
5000
00
Nutzdaten [Byte]
An
two
rtze
it [
ms]
JavaPerl
Perf
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30M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
• AXIS SOAP mit nicht vorübersetztem Web Service (JWS deployment).
• Zusätzlicher Aufwand bei erstem Dienstaufruf durch serverseitige Compilierung (16-fache Antwortzeit!).
• Keine Pufferung übersetzter Daten.=> Nach Ablauf eines Timeouts ist der nächste Aufruf wiederum der „Erste“.=> Bei „selten“ genutzten Diensten ist jeder Aufruf der Erste.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Aufruf
An
two
rtze
it [
ms]
Perf
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31M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
• Reduktion des initialen Aufwandes durch Ablage des vorübersetzten Dienstes auf dem Server.
• Verbleibender Restaufwand bei erstem Aufruf durch Anlage serverinterner Verwaltungsstrukturen.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Aufruf
An
two
rtze
it [
ms]
JWS
Vorüber-setzt
Perf
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32M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
II Kommunikationszeit
• Vergleich zwischen verschiedenen Transportprotokollen
0
100
200
300
400
500
600
700
0 50 100
250
500
1000
2500
5000
1000
0
4000
0
Paketgröße [Byte]
An
two
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it [
ms]
ICMP-PingRMICORBASOAP over HTTPSOAP over TCP
JavaPerl
Perf
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33M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
III Lastverhalten (Server)
SOAP-Serverlastbei kontinuierlichemZugriff (58 Aufrufe/sec.).
Perf
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34M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
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eErgebnisse
III Lastverhalten
Server1SPEC: 340
Server2SPEC: 274
Client1SPEC: 250
Client2SPEC: 350
0,02 sec.(42 c/s)
0,02 sec.(38 c/s)0,03 sec.
(34 c/s)
0,02 sec.(47 c/s)
Perf
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sung u
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verg
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35M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
jeck
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eErgebnisse
III Lastverhalten
Server1SPEC: 340
Server2SPEC: 274
Client1SPEC: 250
Client2SPEC: 350
0,02 sec.(42 c/s)
0,02 sec.(38 c/s)0,03 sec.
(34 c/s)
0,02 sec.(47 c/s)
• 40% schnellerer Client erhöht mögliche Aufrufanzahl lediglich um 10%
• 20% schnellerer Server liefert 20% mehr Aufrufe
=> SPEC-Werte liefern eine zuverlässige Abschätzung der erwarteten Aufrufperformance.
• Gemessen: 10000 Aufrufe mit jeweils 3000Byte Nutzlast
• Geschwindigkeitsabschätzung gemäß veröffentlichter SPEC2000-Werte
Perf
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36M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
jeck
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eErgebnisse
III Lastverhalten
141Dual AMD Opteron 1.8Ghz(SPEC 1023)
155Intel Xeon 3.06Ghz(SPEC 1113)
132Pentium IV 2.66Ghz(SPEC 957,Aktueller „Mediamarkt-PC“)
77Pentium IV 1.3Ghz(SPEC 561)
47Pentium III 750Mhz(SPEC 340)
128Dual Intel Xeon 2.8Ghz(SPEC 926)
Zu erwartende Performance
[calls/sec. bei 3000Byte Nutztransfervolumen]
Server-Maschine
Perf
orm
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37M. Jeckle: Performancemessung und -vergleich von SOAP-basierten Web Services. Web Services/XML One, München, 2003-05-14
jeck
le.d
ePerformanceoptimierung
und -vorhersage
• Netzwerklast (beeinflußt durch Paketgröße) hat m.U. großen Einfluß auf Gesamtperformance.
• SOAP ist (teilweise deutlich) besser als erwartet.
• HTTP bildet den Flaschenhals.• SPEC-Benchmarkwerte liefern gute
Abschätzung zukünftiger Server-Performance.• Optimierungspotential liegt überwiegend auf
Seiten des Servers.• SOAPing ist gut geeignet schnelle Vergleiche
zwischen SOAP-Implementierungsalternativen anzustellen.
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