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砖家:轻量化网络利好红米

查看 cc博主 的更多文章cc博主2023-01-16【人工智能】58人已围观

手机使用上的“贫富差距”还在持续扩大, Lite-Web 可实现低端手机网页加载速度更快,处理更简单。作者 | 黄楠编辑 | 陈彩娴

过去十年中,手机的日益普及促进了互联网接入的显著增加。在全球超35亿移动网络用户中,74% 的人生活在低收入和中等收入国家中,手机成为他们连接到互联网的主要方式。

近日,有研究人员通过对56个国家和地区的实地调研,衡量网络浏览体验的全球差异,研究发现,当前移动数据成本和页面加载时间方面存在着显著不平等问题。

不仅如此,今天的大多数流行网页在设计时,往往只考虑到高处理能力,越来越适合高端手机,这也导致了一定程度上不平等现象的加剧扩大。

举个例子,2019年,法国电信公司 Orange 推出了一款售价20美元的 Sanza 手机,随即在非洲引起一阵购买狂潮。可能大多数人很难相信,在可折叠显示屏和 5G 手机风靡的今天,一款既不是功能手机、也非智能手机的产品,短短时间之内就迅速在非洲手机市场上占有一席之地。

为此,研究人员提出了一个叫做 Lite-Web(轻量化网页)的解决方案,可使网页在低端手机上加载速度更快,处理起来更容易。

实验结果表明, Lite-Web 可帮助经济欠发达地区(如巴基斯坦)的低端手机用户的浏览体验转变为经济发达地区(如迪拜)高端手机用户的浏览体验,缩小手机使用上的“贫富差距”。

同时,手机性能的提升不会影响页面的外观和功能。研究认为,大规模部署 Lite-Web 将有助于构建没有数字不平等的万维网。

砖家:轻量化网络利好红米 第1张论文地址:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2212649120



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网页存在数字不平等

移动互联网的关键推动因素之一在于其可负担性,不仅移动数据的价格越来越低,移动电话的价格也越来越便宜。但是,尽管许多发展中国家移动网络的访问范围在扩大,但用户体验仍然很差,其中,被称为“数字鸿沟”现象的问题,正将那些能够高质量地访问信息和通信技术的人与那些只有较差替代品的人分开。

与已经跨越数字鸿沟的高端手机用户相比,有限带宽和低端手机用户也面临着更差的浏览体验。

为此,研究人员对56个国家和地区进行实地调研,为了控制浏览体验,研究要求每个调研者使用完全相同的硬件访问同一组网页和相同的网络浏览器,在同一当地时间同时连接到蜂窝网络,以确保任何观察到的差异平均页面加载时间不受过多因素变化的影响。

据图1A 结果显示,图中的圆圈对应位置,颜色代表平均页面加载时间,直径代表调整后的每 GB 成本。可以看出,全球存在明显的数字不平等。

砖家:轻量化网络利好红米 第2张图1:不同位置的平均页面加载时间和数据成本。(A)每个位置都用一个圆圈表示,圆圈的直径反映了每 GB 的成本(根据购买力平价衡量),其颜色代表全球 100 个最常访问的页面的平均页面加载时间(以秒为单位)。页面加载时间是通过相同的低端手机型号——小米 Redmi Go——使用该位置的蜂窝网络访问页面来测量的;(B)分配每个位置 1 GB(USD) 的成本(C)每个位置的页面加载时间(s)的分布,在不同的网页上取平均值

(D)每个网页的页面加载时间(s)分布,在不同位置取平均值

为了方便对不同位置进行比较,研究人员绘制了每个位置 1GB 的成本分布(图1B)以及每个位置页面加载时间分布情况,并在不同网页上取平均值(图1C),这些分布突出了地点之间的不平等。为了了解网页本身在复杂性方面的差异,研究绘制了每个网页的页面加载时间(s)分布图,对不同位置取平均值(图1D)。可以看到,各网页的页面加载时间存在很大差异,从 3.6 到 62.6 不等,平均值为 20.8,该时长为加载整个页面所需的时间。

要注意的是,由于硬件规格会影响页面的加载时间,因此研究中所有测量都使用了相同的手机型号——小米红米Go,以确保规格在不同地点和网页之间统一。

研究发现,页面加载时间和每 GB 成本与人口规模无关;在比较首府城市和非首府城市时发现,首都城市的页面加载时间几乎,每 GB 成本是首府城市的两倍。其中,页面加载时间和每 GB 成本之间存在正相关关系,这表明连接质量较差的人需要支付更多。



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JavaScript 对解决数据鸿沟

有重要影响

通过在全球范围内提供廉价、快速的连接或许可以消除数字不平等问题,但就现状来看,这不仅需要数年时间才能实现,而且成本极高。举个例子,如果到 2030 年想在非洲实现普遍、负担得起和优质的互联网接入,将需要 1000 亿美元。

另一个价格更低廉的替代方案,是可以通过降低带宽和处理要求来使得网页“变轻”,虽然较轻的版本与原始页面,只要对用户体验的影响最小,这样的解决方案也是可取的。但考虑到万维网当中的无数网页,想要对网页进行全部分析,以确定哪些元素是昂贵的(在带宽和处理时间方面)和对网页非必要的元素(例如外观和功能等)似乎是不可行的。

对此,研究中指出,或可将 JavaScript 元素作为主要的关注点,这些元素不仅计算密集,并且在万维网中被广泛使用。

与同等大小的 Web 组件相比,处理 JavaScript 元素对 Web 浏览器的要求更高。此外,这些元素的下载大小在每页总下载量中占比极大,但尽管它无处不在,但到目前为止,有关 JavaScript 处理页面加载时间的成本尚未被完全了解。

研究人员使用了在 2015 年到 2020 年期间、当年发布的两款手机(一款低端手机和一款高端手机)访问当年检索到的网页,并设置 WebPageTest  来记录从不同手机访问页面时的 JavaScript 处理时间。

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图2:2015 年到 2020 年期间,在高端和低端移动设备上测量的 JavaScript 处理时间;过滤掉版本显示技术问题的页面,最终共55个,每年分别有一款高端手机和一款低端手机访问当年检索到的网页;手机型号在图中指定

(A)平均 JavaScript 处理时间(以秒为单位),使用高端手机(蓝色曲线)和低端手机(红色曲线)测量;其中 2017 年低端手机的数据点为插值,因为研究期间没有此类手机可购买

(B)在 JavaScript 处理上花费的页面加载时间百分比,使用高端手机(蓝色条)和低端手机(红色条)

研究结果显示,多年来处理 JavaScript 的时间在高端手机上略有下降,但在低端手机上显著增加(从刚超过2秒增加到近8秒),其增长原因是因为这些年来网页的计算量越来越大;在 JavaScript 处理的页面加载时间百分比方面,据图2B 显示,过去3年中,高端手机的占比为20%,低端手机的占比接近50%。



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Lite-Web:优化 JavaScript 使用

可生成更轻量级网页

为了解决页面加载在 JavaScript 处理上的时间花耗问题,研究人员提出了名为“ Lite-Web”的解决方案,可通过优化 JavaScript 的使用,从而生成更轻量级的网页版本。作为一种混合方法,Lite-Web 融合了SlimWeb、JSCleaner 和 Muzeel 三种解决方案。

SlimWeb 是按照 JavaScript 元素根据其代码进行分类,可将包括未知库、未识别的服务域和混淆代码等元素进行分类。其中, SlimWeb 使用的类是基于 Web 社区确定的主要 JavaScript 类别,但 SlimWeb 也会对一些分类进行屏蔽,其中就包括了广告、分析(收集有关用户的数据)和社交(支持点赞和分享等社交互动)。

混合方法的第二个组件是 JSCleaner,这种基于规则的解决方案用于识别和阻止不属于 SlimWeb 使用的三个类中任何一个非必要 JavaScript 元素。如果这些元素的代码不包含任何处理页面内容或功能的函数,那么 JSCleaner 就会将这些元素归类为对用户体验不重要。

与前两种解决方案屏蔽非必要的 JavaScript 元素不同,Muzeel 的作用在于优化必要元素的代码。这是通过识别和消除无用代码、即网页从未使用过的 JavaScript 代码部分来完成。此类代码存在的原因之一是使用通用库,这些库可以提供比页面实际需要更多的功能,因此代码量也更多。常规情况下,Web 开发人员会使用此类库来加快开发过程,例如 jQuery 等库就出现在全球 83% 的移动页面中。

由于 JavaScript 编程语言的动态特性影响,因此要识别死代码也具有一定的挑战性。其中,Muzeel 可以使用一种新颖的交互机器人来模拟用户如何与页面交互,这种方法也能有效识别可以安全删除的 JavaScript 函数,并且不会影响用户体验和整个页面内容。

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图3:Lite-Web 的定量评估

使用 2021 年访问最频繁的 100 个巴基斯坦网页来评估位于吉尔吉特-巴尔蒂斯坦省4个地点的 Lite-Web,即 Taus、Hundur、Sherqilla 和 Puniyal;评估通过在相同的蜂窝网络条件 (SCOM 4G) 下,在相同的低端手机 (QMobile i6i 2020) 上将 Lite-Web 版本(蓝色条)与原始版本(黄色条)进行比较来完成的。此外,原始版本和 Lite-Web 版本也与基线(粉红色条)进行了比较,同样的 100 个网页在迪拜的蜂窝网络 (Etisalat 4G+) 下的高端手机 (Samsung Galaxy S20+ 2020) 上运行. 误差线表示 95% 的置信区间。、

(A)评估页面加载时间(B)评估速度指数(C)评估 JavaScript 处理时间(D)评估页面大小

从评估结果可以看到,四个位置的页面加载时间减少了 68%(Taus)、43%(Hundur)、72%(Sherqilla)和 64%(Puniyal),平均时间从61到23秒。

为了确定这种改进是否足以弥合数字鸿沟,研究人员将 Lite-Web 的结果与吉尔吉特-巴尔蒂斯坦人民在发达地区(迪拜)、以高端网络浏览相同的100个巴基斯坦网页时的体验进行了比较。实验结果如图3A 显示,吉尔吉特-巴尔蒂斯坦用户的额外等待时间从 48 秒(黄色条和粉红色条之间的平均差异)减少到仅10秒(蓝色条和粉红色条之间的平均差异),总计减少了约80%。

图3B 对应第二个性能指标,即速度指数,其测量页面内容被填充并向用户用户所花费的时间。通过使用 Lite-Web 后,有四个地点都发生了显着改善,将发达地区和发展中地区之间的差距缩小了约 70%。

如图3C 所示, Lite-Web 对处理 JavaScript 所花费时间的影响,在时间跨地点方面平均下降了 54%,吉尔吉特-巴尔蒂斯坦和迪拜之间的差距下降了约 80%。

图3D 还展示了 Lite-Web 如何缩小不同网页的大小。具体来说,跨网页和位置的平均页面大小减少了大约 50%,从 0.54 MB 到 0.28 MB。其中,吉尔吉特-巴尔蒂斯坦的平均页面大小(没有 Lite-Web 的改进)比迪拜的略小,其原因在于,与低端手机相比,高端手机需要更大尺寸的图像。但使用了 Lite-Web 后,网页大小相比在在迪拜下载的网页小了约 60%。

总体来看,SlimWeb、JSCleaner 和 Muzeel 这三个组件中,SlimWeb 在基于时间的指标(页面加载时间、速度指数和 JavaScript 处理时间)方面影响最大,而 SlimWeb 和 Muzeel 在页面大小方面的影响相当减少。

70%用户面临被排除在某些网页之外

此外,为了评估上述改进是否会影响页面的外观或功能,研究人员还召集了200名学生随机分为人数相等的对照组和治疗组,将100个巴基斯坦网页划分为25个不相交的、详尽的、大小相等的列表,每个列表分配给从控制组中随机选择的4名学生,由他们与网页的原始版本进行交互,同时在治疗组中随机选择4名学生与精简版网页进行交互。

其中,所有参与者统一使用配备蜂窝数据连接的相同低端手机型号——QMobile i6i,与分配给他们的版本进行 15 分钟的交互。

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图4:学生对 Lite-Web 网站外观和功能影响的评价

(A)左面板:对以下问题回答“是”的参与者百分比:“就这四个网站的外观而言,您是否注意到任何遗漏或异常之处?”;回答“是”的人随后会被问道:“如果你选择是,请评价缺失组件对浏览体验的影响”, 其回答分布显示在右面板中

(B)用于询问网站如何运作的问

(C)所有参与者(控制组和治疗组)的回答:“请说明您同意以下陈述的程度:我偶尔会避免访问某些网站,因为我的网速太慢,无法加载它们。”

研究结果如图4所显示, 图4A 左面板总结了用户对网页外观的评价,这表明对照组和治疗组之间没有显著差异,也即是说,没有任何证据表明 Lite-Web 带来的性能提升是以牺牲外观为代价的。

图4B 评估了 Lite-Web 对网页功能而非外观的影响,左图显示,对照组和治疗组之间没有显著差异,即没有证据可表明 Lite-Web 的性能提升是以功能为代价的。

图4C 描述了响应结果,有超过70%的用户对“偶尔会避免访问某些网站,因为网速太慢无法加载”的说法表示同意。

这些调查结果表明,吉尔吉特-巴尔蒂斯坦省的学生由于处于数字鸿沟,以至于面临被排除在某些网页之外。更广泛地说,这些结果表明,发展中地区的人们需要诸如 Lite-Web 之类的解决方案,以便他们可能访问万维网中实际上无法访问的部分。

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