Google云端平台网络:高级层vs标准层

在当今加快网站加载速度的竞赛中,每一毫秒都很重要。 Kinsta的团队测试并研究了网站速度对销售,转化,用户体验和用户参与度的影响。

但是有一个警告。尽管现场优化对于提高速度非常重要,但这并不是我们应该考虑的唯一方面。

支持我们网站并将其连接到访问者的硬件和网络基础设施至关重要。它们如此重要,以至于当诸如Cloudflare之类的内容交付网络出现故障时,互联网上的一些知名企业都会感到停电:

厌倦了缓慢的WordPress托管和低于标准的支持?我们在Kinsta做不同的事情。
        
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今天,我们将讨论为什么Google要在其网络基础架构上投入大量资金,以及Google Cloud Platform的高级层网络和标准层网络的一些差异。

带宽和延迟(托管基础结构性能的关键标准)

在深入探讨Google Cloud网络的细节之前,重要的是首先了解以下两个概念:带宽和延迟。

带宽是网络的吞吐能力,以Mbps为单位;而延迟是指一路上不同路由器添加到我们的Web请求和响应中的延迟或所有延迟的总和。

可以将带宽或吞吐量形象化地表示为每秒允许一定量的水通过的水管容量。可以将延迟与从水管打开到开始涌出的延迟进行比较。

由于在不同路由器之间建立连接的开销很小,因此,每次“跳”都会给最终请求和响应增加少量延迟。

因此,访问者和托管网站的服务器越远,延迟就越大。此外,网络越分散,延迟就越大。

我们可以通过使用称为traceroute的工具或Windows上的tracert来描绘这一点。在下一个屏幕截图中,我们使用它来检查来自欧洲的两个请求的路由延迟。特别:
一到weibo.com:

微博

微博

另一个到bbc.co.uk:

英国广播公司

英国广播公司

正如我们预期的那样,中国网站的跳数几乎是欧洲网站的跳数的2倍。因此,与对英国托管网站的请求相比,这是增加的延迟。

tracert显示的三列表示三个往返(RTT)。每行代表沿途的不同路由器或跃点。它们通常具有可帮助我们确定特定路由器位于何处的URL。

到中国/香港的路由器的往返时间将近三分之一秒。

我们使用pingdom工具从Pingdom的澳大利亚位置加载伦敦托管的网站,以尝试确定该网络在网站的总加载时间内所占的份额。

加载时间示例

加载时间示例

这是此测试方案中加载的小型CSS文件的数据。连接部分在加载此资源中所占份额最大,其次是SSL和Wait。一直到(包括等待时间)的所有时间也称为到第一个字节的时间(TTFB),其中包括网络延迟。

当Internet服务提供商宣传Internet连接的速度时,他们通常会在其带宽(“软管的宽度”还记得吗?)上做广告,这实际上不是速度的度量。增加管道的宽度只能在一定程度上提高网站速度。当我们需要每秒发送大量数据时(例如流式传输高清视频内容时),此功能将更为有用。但是对于可能在线玩实时多人游戏的用户而言,延迟将更为重要。

HTTP / 2规范和SPDY协议的合著者之一Mike Belshe分析了带宽增加对网站加载速度的影响与延迟减少对网站加载速度的影响。

以下是Belshe在一个漂亮的图表中整理的发现:

加载时间/带宽变化与加载时间/等待时间变化

加载时间/带宽变化与加载时间/等待时间变化

应该清楚的是,通过增加带宽来提高网站速度并不是达到更好性能的最有效方法。另一方面,通过减少RTT(往返时间)或延迟,我们可以看到页面加载时间的持续改进。

网络,互联网对等与传输

为了更好地理解我们的主题,我们需要解释互联网拓扑的基础。全球互联网的核心是多个全球,区域和本地网络。

截至2018年,有超过60,000个AS(自治系统)。这些网络属于政府,大学,ISP。

其中,我们区分第1层,第2层和第3层网络。这些层代表整个Internet上每个网络的独立性。

  • 第1层网络是独立的,这意味着它们无需付费即可连接到互联网上的任何其他点。
  • 第2层网络已与其他ISP达成对等协议,但它们也为传输付费。
  • 最低级别的第3层网络通过购买更高级别的传输来连接到Internet的其余部分。他们实际上就像是需要付费才能访问互联网的消费者。

对等关系是指两个网络在相等的基础上交换流量,因此它们中的任何一个都不为传输付费,而是免费返回。

对等的主要好处是大大降低了延迟。

Web请求如何通过ISP的分层网络

Web请求如何通过ISP的分层网络

在上图中,我们看到了一个经典的场景,其中Web请求通过第1层,第2层和第3层级别的ISP的分层网络来检索位于远程位置的数据中心中的网站。

箭头表示Web请求过程。虚线箭头表示传输连接,实线箭头表示对等连接。

到达第1层提供程序后,它与同一级别上的另一个提供程序的关系就是对等关系。第1层网络连接到其他网络,并仅通过对等伙伴中继其请求。他们无需付费即可到达Internet上的所有其他网络。

我们还可以看到另一种情况,其中两个第2层提供商有对等协议,指定为青绿色。在这种情况下,跃点数较少,网站加载的时间要少得多。

边界网关协议

BGP是一种很少被谈论的协议,除非在非常技术上适用。然而,正如我们今天所知,该协议位于互联网的核心。这是我们访问Internet上几乎所有内容的能力的基础,它是Internet协议栈中易受攻击的链接之一。

边界网关协议在2006年的IETF请求注释#4271中定义,此后进行了多次更新。如RFC所述:

“ BGP语音系统的主要功能是与其他BGP系统交换网络可达性信息。”

简而言之,BGP是一种协议,负责确定网络请求的确切路由,该网络请求涉及成千上万个可能到达其目的地的节点。

边界网关协议

边界网关协议

我们可以将每个节点描述为一个自治系统或一个由多个节点或与其连接的路由器,服务器和系统组成的网络。

在BGP协议中,没有自动发现算法(一种机制或协议,每个新连接的节点都可以通过该机制或协议发现要连接的相邻节点),而是每个BGP对等体都必须手动指定其对等体。至于路径算法,请引用思科专家的话:

BGP没有简单的度量标准来决定哪个路径是最佳路径。取而代之的是,它为每条路线发布了广泛的属性集,并使用了一个复杂的算法(由多达13个步骤组成)来确定哪条路径是最佳的。”

自治系统将路由数据传输到其对等方,但是,对于路径选择,没有强制执行的硬性规则。 BGP是一个隐式基于信任的系统,这可能是当今Internet上最大的安全漏洞之一。 2018年,MyEtherWallet.com流量遭到劫持,盗窃了200多个以太币(价值152,000美元),从而造成了该漏洞。

实际上,BGP的这种弱点通常会导致各种网络(AS)在发出BGP数据时考虑到其他利益,而不是最终用户的效率和速度。这些可以是商业利益,例如有偿运输,甚至是政治或安全考虑。

云计算,CDN和边缘市场的发展

由于从网络行业,在线游戏到物联网等IT市场的不断增长的需求,解决延迟问题的服务提供商和产品的市场空间变得显而易见。

年复一年,我们看到更多基于云的产品,这些产品可以将静态资源缓存在访问者附近(内容交付网络),或者将实际计算更接近最终用户。一种产品就是Cloudflare的Workers,它在Cloudflare的边缘节点网络上执行V8 javascript引擎兼容的代码。这意味着甚至WebAssembly或GO代码也可以在访问者附近执行。

亚马逊的Lambda @ Edge就是这种趋势的另一个例子,英特尔与阿里巴巴云合作伙伴关系也将针对物联网市场提供联合边缘计算平台。

另一个值得一提的是,Google的全球缓存节点网络既是CDN,又是其子公司YouTube的视频缓存和交付网络。

为了说明云计算行业已经变得多么完善和先进,以及它如何减少了最终用户的网络延迟,让我们来看看GaaS。

GaaS是游戏即服务的简称。它是一种云产品,使用户能够玩在云中托管和执行的游戏。本文比较了GaaS细分市场中的一些杰出产品。

曾经购买过电视或视频投影仪进行游戏的人,或者花了一些时间在电视和另一台设备之间建立Miracast或其他投射连接的每个人,都会知道延迟有多重要。然而,现在有GaaS提供商以4k分辨率和60Hz刷新率提供游戏流媒体……而玩家不必在硬件上进行投资。

美国最近对华为的禁令引起了人们的关注,这引起了人们对5G网络问题的关注,并且迫切需要一条明确的途径来升级全球网络基础设施。

能够以最小的延迟实时中继大量信息以协调智能城市,智能房屋,自动驾驶汽车的传感器将取决于边缘设备的密集网络。延迟是自动驾驶汽车之类的当前上限,具有不同的传感器信息,LIDAR数据,该数据的处理与其他车辆的数据。

内容交付网络和云计算提供商处于这场竞赛的最前沿。我们已经讨论过能够控制请求-响应周期的行业领导者推出的QUIC / HTTP3协议。

云提供商如何解决延迟问题?

按市场份额,AWS可能是最大的云提供商。 2016年,他们投资了“夏威夷海底跨太平洋海底电缆系统'',旨在提供更大的带宽并减少夏威夷,澳大利亚和新西兰之间的延迟,这是他们对海底基础设施的第一笔投资。它于2018年上线。

NEC的海底光缆

海底光缆(图像来源:NEC)

到那时,Google在布置海底骨干网方面已经领先于竞争对手。在Amazon进行首笔投资的前一年,ITWorld发表了一篇文章:“ Google的数据中心对于普通网络而言增长太快,因此它可以建立自己的数据中心”。

实际上,是在2005年,科技记者Mark Stephens(又名Robert X Cringely)在PBS.org的专栏中撰文评论了Google大量购买深色光纤(已布局但未使用的光纤基础设施):

“这比另一个Akamai甚至类固醇的Akamai更重要。这是一个动态驱动的智能热核Akamai,具有专用的反向通道和专用硬件。首先是互联网,然后是Google Internet。”

Google的云网络电缆基础设施

Google的Cloud Network Cable Infrastructure(来源:Google)

2010年,Tom Foremski在zdnet.com上的一篇文章中说:

“ Google是拥有大量Internet的公司之一”,并继续说道:“ Google致力于建立运营效率最高,成本最低的私有Internet。这种基础设施是Google的关键,也是了解Google的关键。”

当时,Cringley的文章引起了人们对Google试图接管互联网的担忧,但是当该公司推出Google Fiber时,情况就变得更加清楚了,Google试图征服美国最大城市的ISP市场。此后该项目放慢了速度,以至于TechRepublic在2016年发布了该项目的事后分析,但对全球基础设施的投资并未放缓。

Google将于今年启用的最新投资是连接美国洛杉矶和智利瓦尔帕莱索的骨干网,以及未来连接巴拿马的分支机构。

互联网通常被称为云。实际上,它是一系列湿的,易碎的试管,而Google即将拥有数量惊人的试管。” — VentureBeat

为什么Google要在其网络基础架构上投入大量资金?

谷歌云网络:标准路由

标准路由

我们都知道Google是排名第一的搜索引擎,但它也:

  • 拥有最大的视频平台
  • 是最大的电子邮件提供商(Gmail和G Suite)
  • 云计算产品赚了不少钱(年运行率超过80亿美元)

这就是为什么它需要最小的延迟和最大的带宽。 Google还希望拥有实际的基础架构,因为它对更多带宽和延迟的“无限渴望”使Google及其类似的大型公司(如Amazon或Microsoft)处于需要提供完全定制的硬件和软件解决方案的位置。

Google云网络:PoP节点

PoP节点

存在点或边缘PoP节点位于Google的全球专用电缆网络的边缘。在那里,它们充当连接到Google数据中心的流量的出入口。

摩尔定律是英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)的一项观察,指出每两年我们可以在集成电路上放置的晶体管数量将增加一倍。几十年来,这种期望一直是正确的,但是现在,计算机行业即将对摩尔定律进行艰苦的考验,这可能会在不久的将来标志着它的终结。仅供参考,NVIDIA首席执行官宣布摩尔定律于今年早些时候失效。

那么,这与云产业以及Google的网络基础架构有何关系?

在2018年12月的Open Networking Foundation Connect活动中,Google副总裁兼网络技术负责人Amin Vahdat承认摩尔定律已告终结,并解释了该公司的难题:

“我们的计算需求正在以惊人的速度持续增长。我们将需要加速器和更紧密耦合的计算。网络结构在将这两者捆绑在一起方面将发挥关键作用。”

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云提供商要满足不断增长的计算能力需求的一种方法是群集。简而言之,集群意味着将多台计算机组合在一起以处理单个问题,并执行单个应用程序的进程。显然,受益于这种设置的一个先决条件是低延迟或严重的网络容量。

当Google开始设计自己的硬件时,2004年,网络硬件供应商开始在盒子方面进行思考,路由器和交换机需要通过命令行进行单独管理。直到那时,Google还是从思科等供应商那里购买交换机集群,每台交换机花费大量资金。但是设备仍然无法跟上增长的步伐。

Google需要不同的网络架构。对Google基础设施的需求呈指数级增长(2015年Google发表的研究报告称其网络容量在十年内增长了100倍),而且增长如此之快,以至于购买现有硬件的成本也促使他们创建自己的解决方案。 Google开始使用商品化的硅芯片制造定制开关,并采用了另一种模块化的网络拓扑。

Google的工程师开始建立在称为Clos网络的旧电话网络模型上,该模型减少了每个交换机所需的端口数:

“ Clos网络的优势在于,您可以使用一组相同且便宜的设备来创建树,并获得高性能和弹性,否则将需要花费更多的成本来构建它。” — Clos Networks:网络世界再次成为旧事物

在线上可以通过哈佛大学讲座了解更多关于该模型的信息。

对于这种新的模块化硬件,Google团队还必须重新定义现有协议并构建自定义的网络操作系统。他们面临的挑战是采用大量的交换机和路由器并像对待单个系统一样操作它们。

自定义网络堆栈以及对重新定义协议的需求导致Google转向了软件定义网络(SDN)。以下是Google工程研究员,网络基础架构团队负责人Amin Vahdat自2015年以来的主题演讲,解释了他们面临的所有挑战和解决方案:

对于最好奇的人来说,这篇有趣的博客文章值得一读。

浓咖啡

Espresso是Google SDN的最新支柱。它使Google的网络能够超越物理路由器的限制来学习和协调进出Google对等合作伙伴的流量。

Espresso使Google能够实时衡量连接的性能,并根据实时数据为特定访问者确定最佳的在线状态。这样,Google的网络就可以动态地响应其对等/ ISP合作伙伴中的各种拥塞,速度减慢或中断。

最重要的是,Espresso使得可以利用Google的分布式计算能力来分析其所有对等方的网络数据。所有路由控制和逻辑不再驻留在单个路由器和边界网关协议中,而是转移到Google的计算网络中。

“我们利用大规模的计算基础架构和来自应用程序本身的信号来学习各个流的性能,这取决于最终用户对质量的看法。” — Espresso使Google Cloud更快,2017年

这与Google Cloud Network有什么关系?

到目前为止,我们讨论的内容将重点说明Google所遇到的所有问题和挑战(包括基于硬件和软件的问题),以组装可能是当今最好的全球专用网络。

在市场份额方面,Google Cloud Platform是第三大全球供应商(仅次于AWS和Microsoft的Azure Cloud)。但就其优质的专用网络基础设施而言,它的竞争对手远远落后于BroadBand Now的数据:

海底电缆所有权

海底电缆所有权,2018年9月。(来源:BROADBANDNOW,Centerfield BBN LLC)

2014年,GigaOM发表了一篇比较AWS和Google Cloud Platform的文章,但仅一周后,他们发表了另一篇文章:“我在Google vs. Amazon云辩论中错过的东西-光纤!”,他们认识到Google领先几年基础设施方面。

“拥有大而快速的管道供您-和您的客户的流量-是一笔大买卖。”-GIGAOM的Barb Darrow

Google的高级与标准层网络

Google Cloud Network平台

Google Cloud Network平台

Google Cloud Platform提供了两个不同的网络层,它们在价格和性能上都不同。

Google Premium Tier Network

借助Google的高级层网络,用户可以利用分布在全球的Presence在线点来利用全球光纤网络。从客户到Google数据中心的所有入站(入站)流量都路由到最近的存在点,并在全球分布,然后将请求100%路由到Google的专用骨干网。正如我们在之前的文章中提到的那样-这可能意味着延迟提高了30%或带宽提高了50%

在返回的过程中,所有从数据中心发送到访客的数据都使用Cold Potato策略进行路由。与在标准层网络上使用的Hot Potato路由相反,在该层中,流量应尽早移交给其他ISP-(或丢弃),而Premium Tier路由意味着出口流量将保持尽可能长的时间。可以使用Google自己的光纤进行传输,并尽可能移交给与访问者尽可能近的对等方或传输ISP。

用外行的话来说。高级层数据包在Google的网络上花费的时间更多,而在网络上的跳动更少,因此性能更好(但成本更高)。

对于我们当中的科幻迷来说,这可以比作是一个宇宙虫洞,它可以将我们的流量直接转移到目的地,而无需通过互联网漫游。

在Kinsta,我们将Google Cloud的高级层网络与所有托管WordPress托管计划结合使用。这样可以最小化距离和跃点,从而更快,更安全地进行全局数据传输。

Kinsta托管架构

Kinsta托管架构

Google标准层网络

另一方面,Standard Tier Network在我们的内容或Web应用程序所在的数据中心附近使用了Point of Presence。这意味着访问者的流量将通过许多不同的网络,自治系统,ISP和许多跃点传播,直到到达目的地。在这种情况下,速度会受到影响。

使用标准层传输的内容将无法充分利用Google SDN的优势以及强大的计算能力来动态计算最佳路线。流量将受到Google与访问者之间所有系统的BGP策略的约束。

用外行的话来说。标准层数据包在Google的网络上花费的时间更少,而在公共网络上花费更多的时间在土豆上,因此性能更差(但成本更低)。

此外,Premium Tier使用全局负载平衡,而Standard Tier仅提供区域负载平衡,这给Standard客户带来了更多的复杂性和更多的“脚步”。

Premium Tier Network提供了全球服务水平协议(SLA),这意味着Google承担提供一定水平服务的合同责任。就像质量保证标志。标准网络层不提供此级别的SLA。

对于那些想要了解更多信息的人,可以在Google Cloud网站上对这两个层次进行大量的比较和文档编制。他们甚至提供了方便的图表来帮助您更轻松地确定您应该使用的网络层:

Google云网络:服务层决策树

网络服务层决策树。 (来源:Google Cloud Platform)

想知道是什么使Google Cloud Network成为当今最快的堆栈之一?深入了解我们的高级与标准级别的比较。 ?☁️

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摘要

多年来,谷歌已投资创建全球网络基础架构,部署自己的协议以及自定义硬件和软件网络堆栈。有时,摩尔定律似乎逐年变得越来越弱,Google的基础架构使该公司能够满足对云资源不断增长的需求。

尽管就市场份额而言,它仍然落后于Amazon Cloud和Microsoft的Azure Cloud,但Google拥有自己的光纤以及工程师部署的尖端硬件和软件解决方案,都获得了至关重要的优势。

我们可以期待Google在物联网,智慧城市,无人驾驶汽车技术中发挥关键作用,并且对边缘计算的需求将继续增长。

Google Cloud Network Premium Tier是第一个利用Google的创新网络成就的产品。它使客户可以利用Google的网络和整个堆栈,以高速度交付内容。有了Google对延迟的保证。

Kinsta致力于在全球范围内提供最佳的WordPress管理托管性能。这就是Kinsta具备支持WordPress托管的Google Cloud的原因,并且我们将Google的Premium Tier Network用于所有托管计划。

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