Đề Tài Lí Thuyết Hàng Đợi Và Hiệu Năng Mạng Máy Tính

Đồ án tốt nghiệp Mục lục Mở đầu Chơng Tổng quan đánh giá hiệu mạng máy tính .4 1.1 Mạng máy tính phân tích, đánh giá hiệu mạng máy tính .4 1.1.1 Thời gian thiết lập liên kết : .6 1.1.2 Thời gian phản hồi : 1.1.3 Độ dao động: 1.1.4 Độ lệch: 1.1.5 Thông lợng: 1.1.6 Chi phí: .7 1.2 Các phơng pháp mô hình hoá đánh giá hiệu mạng máy tính 1.2.1 Phơng pháp mô hình hoá 1.2.2 Mạng xếp hàng (Queuing Networks) .10 1.2.3 Mạng Petri (Petri Nets) 11 1.2.4 Mô hình đồ thị (Graph Models) .12 1.2.5 Các mô hình lai (Hybrid Models) 12 1.2.6 Đánh giá chung phơng pháp mô hình hoá 12 Chơng Lý thuyết xếp hàng .14 2.1 Các khái niệm 14 2.1.1 Định nghĩa hàng đợi .14 2.1.2 Các tham số đặc trng hàng đợi 15 2.1.3 Các thông số hiệu thờng dùng phân tích hệ thống sử dụng mô hình mạng xếp hàng 16 2.1.4 Mạng hàng đợi hàng đợi 18 2.1.5 Mô tả trạng thái cho hệ thống hàng đợi 18 2.2 Một số thuyết đợc sử dụng tính toán hàng đợi 19 2.2.1 Quá trình Poisson: 19 2.2.2 Qui tắc Little 20 2.3 Một số hàng đợi 22 2.3.1 hàng đợi Markov M/M/1 22 2.3.2 Các hàng đợi nhiều trạm dịch vụ: M/M/m .25 2.3.3 Các hàng đợi có số khách hàng hạn chế M/M/m/N/N(hàng đợi đóng) 26 2.3.4 Hàng đợi M/G/1 .27 2.3.5 Các hệ thống có phản hồi .27 2.4 Mạng hàng đợi 28 2.4.1 Định lý đến [ Sevcik Mitriani 1981] 28 2.4.2 Xác suất trạng thái mạng hàng đợi- khái niệm nghiệm dạng tích PFS 29 2.4.3 Thuật toán nhân chập 30 2.4.4 Thuật toán phân tích giá trị trung bình 31 2.4.5 Nhận xét kĩ thuật phân tích giá trị trung bình 32 2.5 Các hệ thống xếp hàng thời gian rời rạc 32 2.5.1 Trạng thái hệ thống phơng trình cân cục .33 2.5.2 Một số tiến trình thời gian rời rạc 33 2.6 Đánh giá 34 Chơng Th viện lập trình giải toán hàng đợi 35 3.1 Th viện PDQ 35 3.1.1 PDQ ? .35 3.1.2 Môi trờng lập trình sử dụng PDQ 35 3.1.3 Giao diện lập trình PDQ 36 Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp 3.2 Phát triển thêm thủ tục vào th viện PDQ 52 3.2.1 Thủ tục giải mô hình hàng đợi Markov đơn giản 52 3.2.2 Thủ tục giải mô hình hàng đợi Markov đơn giản song song 52 3.2.3 Thủ tục giải hàng đợi nhiều serve song song PDQ_Mutilser() 53 3.3 Đánh giá th viện lập trình PDQ 53 Chơng Đánh giá hiệu WebServer .54 4.1 Tổng quan chung WebServer 54 4.1.1 Word Wide Web gì? 54 4.1.2 Nguyên tắc hoạt động Web .54 4.1.3 Giao thức http 56 4.1.4 Khái niệm WebServer 56 4.1.5 Hoạt động WebServer 56 4.2 Hiệu WebServer .57 4.2.1 Các tiêu chuẩn đánh giá Web Server .57 4.2.2 Đánh giá hiệu WebServer mặt thời gian đáp ứng .57 4.2.3 Đánh giá hiệu WebServer mặt dung lợng 59 Chơng Xây dựng chơng trình đánh giá thời gian đáp ứng WebServer sử dụng mô hình hàng đợi th viện PDQ 60 5.1 Mô hình hàng đợi PDQ để giải toán tính thời gian đáp ứng thông lợng WebServer 60 5.2 Lập chơng trình ngôn ngữ Visual C .62 5.3 Phân tích kết thử nghiệm .65 5.4 Kết luận 67 Kết luận 67 Tài liệu tham khảo 68 Mở đầu Sự phát triển mạng máy tính có tác động sâu sắc đến nhiều khía cạnh khoa học kĩ thuật nh sống ngời Việc đời phát triển mạng tốc độ cao đẩy nhanh phát triển mạng máy tính , qua mạng tốc độ cao trình truy xuất luồng thông tin khác đợc thực nhanh với giá thành thấp Hệ thống thông tin nh mạng máy tính cần phải đợc xây dựng phức tạp để đáp ứng nhu cầu xử lí , truyền tải thông tin với tốc độ nhanh dung lợng lớn Sự phát triển mạng máy tính dẫn đến hình thành phát triển mạng Internet, internet cung cấp cho giới nhiều dịch vụ đa dạng, dịch vụ Internet đợc sử dụng rộng rãi đợc nhiểu ngời quan tâm nhất Word Wide Web Các trang Web đợc lu trữ WebServer, với số lợng trang Web tăng cách nhanh chóng việc đảm bảo cho WebServer hoạt động có hiệu yêu cầu cần thiết Trong trình thiết kế xây dựng mạng Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp máy tính đặc biệt hệ thống internet nhiệm vụ đặt quan trọng phải phân tích đánh giá đợc hiệu hệ thống để hỗ trợ cho việc xây dựng phát triển hệ thông tin Việc phân tích đánh giá hiệu mạng máy tính việc tơng đối phức tạp Một phơng pháp đánh giá đợc sử dụng rộng rãi có hiệu thực tế phơng pháp mô hình hoá mô hình đợc sử dụng mô hình hàng đợi, mạng Petri, đồ thị, mô hình lai ghép Trong mô hình hàng đợi mô hình đơn giản tỏ có hiệu thực tế Lý thuyết xếp hàng đợc nghiên cứu rộng rãi giới đầu kỉ 20 Có nhiều ứng dụng đợc cài đặt sử dụng lí thuyết này, có th viện mở đợc xây dựng để giải toán mô hình hàng đợi số kể đến th viện PDQ Do phổ biến có hiệu lí thuyết xếp hàng việc đánh giá hiệu mạng mà đồ án em xâu vào nghiên cứu lí thuyết xếp hàng từ xây dựng th viện giải toán hàng đợi áp dụng để cài đặt chơng trình minh hoạ tính tham số hiệu WebServer Đồ án em gồm chơng với nội dung sau : - Chơng : Tổng quan đánh giá hiệu mạng máy tính Chơng trình bày sơ lợc mạng máy tính, hiệu mạng máy tính phơng pháp mô hình hoá để đánh giá hiệu mạng máy tính Trong chơng em giới thiệu độ đo hiệu đợc sử dụng để đánh giá hiệu mạng máy tính, yêu cầu toán phân tích đánh giá hiệu mạng máy tính Sau trình bày phơng pháp mô hình hoá để đánh giá hiệu mạng máy tính đến kết luận mô hình hàng đợi mô hình phù hợp cho toán phân tích đánh giá hiệu mạng máy tính - Chơng : Lí thuyết xếp hàng Chơng trình bày khái niệm lí thuyết xếp hàng, tham số hệ thống hàng đợi, số lí thuyết toán học nh trình Poisson, phân bố mũ Sau sâu vào khảo sát số hàng đợi cụ thể nh M/M/1, M/G/1 Phần cuối chơng giới thiệu mạng hàng đợi em trình bày số thuật toán để giải mô hình mạng hàng đợi nh thuật toán phân tích giá trị trung bình thuật toán tích chập - Chơng : Khảo sát th viện lập trình giải toán hàng đợi Chơng em vào giới thiệu th viện lập trình mở để giải mô hình hàng đợi PDQ, th viện mở , viết C chuẩn, đợc cung cấp miễn phí Sau giới thiệu qua môi trờng , giao diện lập trình, cách sử dụng biến, hàm th viện em sử dụng để xây dựng thêm số hàm bổ sung vào th viện - Chơng : Đánh giá hiệu WebServer Chơng em trình bày khái niệm Web, WebServer Sau nêu cần thiết yêu cầu chung đánh giá hiệu WebServer - Chơng : Xây dựmg chơng trình xác định thời gian đáp ứng dung lợng WebServer sử dụng mô hình hàng đợi th viện PDQ Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp Chơng em xây dựng mô hình hàng đợi để mô hình hoá hoạt động WebServer từ dùng th viện PDQ để viết chơng trình tính thời gian đáp ứng thông lợng WebServer Do hạn chế điều kiện tiếp cận đối tợng nghiên cứu trình độ hạn hẹp nên đồ án em tránh đợc sai sót, mong đợc thông cảm góp ý kiến thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn TSKH Nguyễn Thúc Hải _ Ngời thầy hớng dẫn tận tâm, nhiệt tình cho em suốt trình thực hiên đồ án tốt nghiệp nh suốt thời gian năm em học tập khoa CNTT trờng đại học Bách Khoa Hà Nội Thầy ngời định hớng mở đờng cho em việc xác định lĩnh vực nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu mạng máy tính Em xin đợc cám ơn thầy cô giáo khoa CNTT trờng đại học Bách Khoa Hà Nội tận tâm truyền đạt cho em nhiều kiến thức chuyên môn trình em học tập khoa Và cuối em xin cám ơn giúp đỡ quí báu Trung Tâm đào tạo KSTN trờng đại học Bách Khoa Hà nội bạn bè khoá suốt trình thực đồ án tốt nghiệp Hà Nội ngày Chơng tháng năm 2003 Tổng quan đánh giá hiệu mạng máy tính 1.1 Mạng máy tính phân tích, đánh giá hiệu mạng máy tính Sự kết hợp máy tính với hệ thống truyền thông tạo biến đổi có tính chất cách mạng vấn đề khai thác sử dụng hệ thống máy tính Các mô hình tập trung dựa máy tính lớn với phơng thức khai thác theo lô đợc thay bới mô hình tổ chức sử dụng máy tính lớn đợc kết nối với để thực công việc Môi trờng làm việc với nhiều ngời sử dụng phân tán đợc hình thành, cho phép nâng cao hiệu việc khai thác, sử dụng tài nguyên chung vị trí địa lí phân tán khác Hệ thống nh đợc gọi mạng máy tính Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp Nh Mạng máy tính tập hợp máy tính đợc nối với để trao đổi thông tin nâng cao hiệu khai thác sử dụng tài nguyên Mạng máy tính đợc hình thành từ trớc năm 70 kỉ 20, bắt đầu việc nối máy tính thiết bị đầu cuối liệu để tận dụng tài nguyên, giảm giá thành truyền số liệu Tiếp việc tăng nhanh máy PC dẫn tới tăng yêu cầu truyền số liệu máy tính -terminal ngợc lại, mạng máy tính ngày phát triển để đáp ứng nhu cầu ngời dùng Ngày phát triển mạng truyền tin cho phép xây dựng mạng máy tính rộng lớn mang tính toàn cầu Mạng truyền tin bao gồm nút truyền tin đờng truyền kết nối nút, thiết bị đầu cuối, thiết bị tập trung, xử lí, máy tính đợc ghép nối vào nút mạng.Trong mạng xuất trạm đầu cuối thông minh đợc liên kết chặt chẽ dựa máy tính Các xử lí ngoại vi mạng đợc đa vào máy chủ trạm đầu cuốithông minh Việc kết nối máy tính thành mạng máy tính có hai mục tiêu : - Tận dụng tài nguyên chung, xoá bỏ khoảng cách địa lí - Tăng chất lợng hiệu khai thác, xử lí thông tin độ tin cậy hệ thống Ngày mạng máy tính trở thành lĩnh vực nghiên cứu nhằm đảm bảo truyền tin , xác, có hiệu Một lĩnh vụ nghiên cứu quan trọng mạng máy tính phân tích đánh giá hiệu mạng máy tính Lĩnh vực hỗ trợ cho trình thiết kế xây dựng mạng máy tính để đạt đợc mục tiêu đề mạng máy tính tăng chất lợng hiệu khai thác, xử lí thông tin độ tin cậy hệ thống Nh biết khái niệm hiệu năng, thân thực thể đợc định nghĩa cách Hiện có nhiều độ khác với đánh giá hiệu thích hợp với mạng máy tính nh thông lợng, thời gian thiết lập liên kết, thời gian phản hồi , nhiên phơng pháp mang lại hiệu tối u đánh giá hiệu Thông thờng đánh giá hiệu mạng máy tính nói chung thờng có liên quan đến tốc độ mà thông điệp riêng lẻ đợc truyền hai máy tính đợc kết nối với nhau, phải kể đến độ trễ tốc độ truyền liệu điểm- điểm Độ trễ định nghĩa thời gian cần thiết để truyền thông điệp rỗng hai máy tính Nó độ đo hàm trễ theo phần mềm có liên quan tới việc truy nhập vào mạng vị trí nơi nhận nơi gửi Còn tốc độ truyền liệu tốc độ liệu đợc truyền hai máy tính mạng, với điều kiện việc truyền liệu bắt đầu, tính theo bit/giây Có thể thấy thời gian truyền thông điệp yêu cầu việc nhận thông điệp phản hồi phải không đợc lâu thời gian truy cập đĩa- tức thời gian truyền thông điệp phải nhỏ 10 mili giây Và để đạt đợc điều độ trễ Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp truyền thông điệp phải nhỏ mili giâyvà tốc độ truyền phải lớn 200 kB/giây Trớc hết, xem xét đánh giá hiệu mạng máy tính sở khái niệm độ đo hiệu mạng máy tính 1.1.1 Thời gian thiết lập liên kết : Trớc liệu đợc truyền theo dịch vụ mạng định hớng kết nối (CONS) nào, trớc hết cần đợc thiết lập cuôc gọi phiên làm việc Tuy nhiên, với dịch vụ mạng không dùng kết nối (CLNS) điều không cần thiết Có thể lấy ví dụ hệ thống CONS X.25 SNA, IP (ex - TCP) ISO 8273 ví dụ giao thức CLNS.CONS, giao thức thờng đợc nhà cung cấp dịch vụ chọn lựa áp dụng mạng diện rộng (WAN)nhằm bảo đảm việc chuyển phát liệu, giao thức CLNS đợc sử dụng hệ thống nh mạng LAN Đối với vài ứng dụng, nh hệ thống kiểm tra thẻ tín dụng, thời gian thiết lập liên kết độ đo hiệu quan trọng Thời gian thiết lập liên kết đ ợc thực hai lớp vật lý, nh việc quay số Modem theo mạng PSTN, tín hiệu từ tầng đến tầng giao thức 0SI 1.1.2 Thời gian phản hồi : Độ đo hiệu việc phân phối liệu thời gian phản hồi mạng Đây thời gian cần thiết để ngời sử dụng tiếp nhận đợc phản hồi từ thông điệp Trớc hết cần phân biệt đợc thời gian truyền mạng chiều thời gian trả lời trọn vòng (hai chiều) Độ trễ trọn vòng thông thờng quan trọng ứng dụng tơng tác lẫn nhau, thời gian truyền mạng chiều có liên quan tới thao tác xử lý theo lô Khi ta có tơng ứng phơng thức tuỳ theo phần thông điệp đợc sử dụng, phần tử cuối Bốn phơng thức : FILO (First - In Last - Out) FIFO (Fist - In First - Out), LILO (Last - In Last - Out), LIFO (Last - In First Out) Các phơng pháp khác tuỳ thuộc mức độ đánh giá yêu cầu cần đạt đợc việc xác định hiệu FILO mô hình yếu định nghĩa trên, thích hợp ứng dụng không truyền liệu hình hiển thị cha bị lấp đầy không trả liệu thiết bị đầu cuối cha nhận hết thông tin hình hiển thị Trong giao dịch chiều, mô hình áp dụng cho trờng hợp máy chủ tiến hành xử lý thông tin toàn giao dịch hoàn tất đợc thu nhận FIFO tơng tự FILO, ngoại trừ việc trạm cuối bắt đầu hiển thị liệu trả lại liệu vừa đến Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp LILO ứng dụng trờng hợp liệu đợc truyền nh đợc khởi tạo nhng đợc hiển thị đợc xử lý giao dịch hoàn tất đợc nhận LIFO phơng pháp tối u đánh giá hiệu sử dụng thời gian phản hồi hệ thống Phơng pháp ứng dụng trạng thái liệu giao tác vừa đợc truyền đợc xử lý nh đợc khởi tạo Ví dụ phổ biến tiến trình LIFO: thiết bị đầu cuối ngời sử dụng máy chủ sử dụng giao thức không đồng để truyền thông qua mạng chuyển mạch gói từ PADs 1.1.3 Độ dao động: Trong số trờng hợp thân thời gian phản hồi hệ thống nhân tố quan trọng mà biến đổi Điều đợc định nghĩa độ dao động thời gian phản hồi Phơng pháp đánh giá đợc ứng dụng nhiều ứng dụng đa phơng tiện Độ trễ biến đổi có tác dụng nhiều trờng hợp xử lý tiếng nói hình ảnh bị gián đoạn 1.1.4 Độ lệch: Một khía cạnh khác thời gian phản hồi đợc sử dụng ứng dụng đa phơng tiện chênh lệch độ trễ cho phần khác ứng dụng, khái niệm đợc định nghĩa độ lệch Một ví dụ thấy độ lệch tín hiệu hình ảnh âm ứng dụng video, việc chúng không đồng chúng đoạn video 1.1.5 Thông lợng: Đối với giao dịch lớn ứng dụng truyền file lớn, độ đo hiệu quan trọng lại thông lợng Tham số đợc định nghĩa số lợng liệu không lỗi đợc truyền đơn vị thời gian Nh vậy, định nghĩa không bao gồm liệu đợc truyền lại mạng lý Định nghĩa thờng áp dụng cho kiểu giao dịch kết nối cụ thể, nhng số trờng hợp tham số thông lợng toàn hệ thống đợc xác định quan trọng việc xác định thông lợng phận riêng lẻ Tuy nhiên độ đo hiệu bị giới hạn phơng tiện truyền khả xử lý mạng 1.1.6 Chi phí: Các điều kiện buộc chi phí tham số đo hiệu thực quan trọng mạng khả vận chuyển lợng truyền thông lớn với chi phí cho trớc Điều có nghĩa cần thiết phải có giao thức định tuyến thích hợp cho phép việc vận chuyển lu thông mạng qua tuyến Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp 1.2 Các phơng pháp mô hình hoá đánh giá hiệu mạng máy tính 1.2.1 Phơng pháp mô hình hoá Bài toán đánh giá hiệu mạng máy tính toán phức tạp thực tế mạng máy tính thực thể động thay đổi liên tục mặt hoạt động nh cấu hình Một phơng pháp để đánh giá hiệu mạng máy tính phơng pháp mô hình hoá Mô hình hoá phơng pháp thông dụng lĩnh vực nghiên cứu khoa học công nghệ T tởng phơng pháp thể thực thể hay khái niệm số thuộc tính quan hệ đặc trng số đối tợng (gọi nguyên hình), nhằm sử dụng làm đối tợng quan sát thay cho nguyên hình hoặc(và) làm đối tợng nghiên cứu (thực nghiệm hay suy diễn) nguyên hình Trong toán phân tích hiệu mạng máy tính, nguyên hình mạng máy tính Các thuộc tính đợc thể mô hình thuộc tính có ảnh hởng đến hiệu hệ thống, đầu mô hình kết ớc lợng hiệu năng, với sai số chấp nhận đợc Vậy phải sử dụng phơng pháp mô hình hoá nghiên cứu hiệu mạng máy tính? Thứ nhất, mô hình biểu diễn phần khía cạnh mạng máy tính, dựa hệ thống có thực tởng tợng Do đó, nhờ mô hình hoá, ta thực đánh giá hiệu từ pha thiết kế hệ thống để đảm bảo lựa chọn đợc phơng án tối u Thông thờng, việc đo hiệu toán thờng bị bỏ qua, trì hoãn lại pha thiết kế, ta sở để đo hiệu hệ thống Vì vậy, định chọn thiết kế dựa yêu cầu chức thờng thu đợc hệ thống có hiệu Khi cài đặt hệ thống thực tế, ta phát nhợc điểm muộn để sửa chữa Sau xây dựng mô hình, ta thay đổi tham số nó, nhờ kiểm tra đợc hiệu tình khác nhau, kể tình không xảy xảy thực tế, hay tình tải, phá vỡ hệ thống thực Lúc này, ta dự đoán đợc tình trạng hoạt động hệ thống cách so sánh kết thu đợc từ mô hình khác nhau, ta chọn đợc mô hình tốt Hai là, mạng máy tính hệ thống không đơn định, có tơng tác qua lại thành phần hệ thống Vì thế, khó phân tích hoạt động hiệu chúng điều kiện tải trọng khác Các chi tiết rờm rà che khía cạnh quan trọng ảnh hởng tơng tác phức tạp phần khác hệ thống làm ngời quan sát khả phát điểm yếu, ví dụ nh hệ thống có ảnh hởng thành phần, khó tìm thành phần có hiệu thấp nhất, dới yêu cầu cho phép nó, làm toàn hệ thống bị ảnh hởng theo Mô hình hoá giúp ta loại Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp bỏ chi tiết này, giữ lại thuộc tính có liên quan đến hiệu năng, nhờ vậy, phân tích mô hình thờng đơn giản nhiều so với phân tích hệ thống thực Ba là, mô hình hình thức biểu diễn trìu tợng hoá lớp hệ thống có cấu trúc Vì vậy, với loại mô hình, ta biểu diễn nhiều hệ thống khác Các hệ thống đa dạng, phong phú, nh phân tích hệ thống thực cách sản xuất thủ công, đơn chiếc, phân tích mô hình phơng pháp sản xuất công nghiệp Do đó, ngời ta tập trung nghiên cứu số dạng mô hình định, đa đợc lợc đồ đánh giá hiệu chuẩn để áp dụng cho hệ thống đợc biểu diễn mô hình Đây sở cho việc xây dựng công cụ đo hiệu tự động, giúp giảm thời gian chi phí phân tích hiệu toán lớn Tóm lại, mô hình hoá hiệu môt công cụ cho phép phân tích yêu cầu hiệu hệ thống song song với việc phân tích các yêu cầu chức Có thể áp dụng kỹ thuật pha trình xây dựng bảo trì hệ thống, trợ giúp tích cực cho ngời thiết kế quản trị hệ thống phân tán Vì vậy, giới, ngời ta tập trung vào nghiên cứu vấn đề này, coi vấn đề trọng tâm hệ phân tán họ thu đợc nhiều kết thú vị Các phơng pháp mô hình hoá hiệu đợc sử dụng chủ yếu loại mô hình toán học Trong mô hình này, hệ thống đợc biểu diễn quan hệ định lợng hay nói cụ thể hơn, ngời ta sử dụng công cụ toán học để biểu diễn quan hệ hiệu hệ thống thông số đầu vào Thông dụng mô hình ngẫu nhiên thông số hệ phân tán thờng thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Do hiệu mạng máy tính không phụ thuộc vào thao tác hệ mà phụ thuộc vào kiến trúc phần cứng nên ta có cách tiếp cận mô hình hoá tơng ứng là: mô hình hoá hoạt động mô hình hoá thực thể Mô hình hoá hoạt động có đối tợng mô hình hoá giao dịch hệ thống Vì vậy, hệ thống đợc biểu diễn đầu vào, đầu khối xử lý (Hình 2.1) Việc phân tích hiệu đánh giá thông số đo hiệu hệ thống dựa vào hoạt động khối xử lý, đầu vào khối thay đổi Đây phơng pháp mô hình hoá phổ biến, dùng để đo thời gian tính toán, thông lợng Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang Đồ án tốt nghiệp Hình 2.1 Mô hình hoạt động hệ thống Mô hình hoá thực thể thờng tiếp cận theo hớng tiến hành mô hình đối tợng có sẵn hệ thống nh máy chủ, tài nguyênLiên hệ đối t ợng luồng liệu, luồng điều khiển hệ thống Cách đợc sử dụng để đánh giá hiệu cụ thể thực thể nói nh thời gian bận máy chủ, chi phí truyền thông hệ thống Mỗi phơng pháp đợc đặc trng định nghĩa mô hình, thông số vào, phơng pháp để ớc lợng đánh giá kết mô hình Dới đây, ta trình bày số loại mô hình có đợc sử dụng rộng rãi toán phân tích hiệu thực tế 1.2.2 Mạng xếp hàng (Queuing Networks) Mô hình mạng xếp hàng mô hình cổ điển mô hình đánh giá hiệu hệ phân tán Vì vậy, loại mô hình đơn giản có lý thuyết đợc xây dựng chỉnh, trợ giúp đắc lực cho ngời sử dụng Một mạng xếp hàng đồ thị có hớng bao gồm nút hàng đợi, thờng gọi trung tâm dịch vụ, biểu diễn mô hình tài nguyên hệ thống Các khách hàng hàng đợi tác vụ hệ thống, tức tiến trình có yêu cầu cạnh tranh tài nguyên hệ thống Các cung mạng biểu diễn cấu trúc tôpo hệ thống, xác định đờng khách hàng hệ thống Phụ thuộc vào yêu cầu tài nguyên, khách hàng phải chờ đợi hàng đợi Trạng thái hệ thống đợc biểu diễn số lợng khách hàng có hàng đợi Trong mạng có nhiều loại khách hàng loại có đặc trng riêng Trong trờng hợp này, trạng thái mạng số lợng khách hàng thuộc loại hàng đợi Có nhiều loại mạng xếp hàng Ta phân loại theo cấu trúc mạng: nh có hay nhiều máy chủ, hàng đợi có vùng đệm vô hạn hay hữu hạn Cũng phân biệt mạng xếp hàng phân phối xác suất khách hàng hệ thống, hay phân biệt tính chất đóng mở Về loại mạng xếp hàng cụ thể, ta bàn đến phần sau Các thông số hiệu tính toán đợc từ mạng xếp hàng phong phú, thờng thông số định lợng nh: thời gian phục vụ server, độ tận dụng tài nguyên hệ thống, thông lợng, tải trọng Có lớp lớn mạng xếp hàng đơn giản có giải pháp tính toán hiệu Chúng cho phép đo hiệu đợc suy diễn mà không cần phải xử lý chuỗi Markov Giải mô hình này, thờng đợc gọi giải pháp dạng sản xuất, cách phân tích riêng biệt hàng đợi riêng biệt hệ thống Nhờ giải pháp này, ngời ta công bố thuật toán đơn giản để tính toán hầu hết độ đo hiệu trực tiếp từ thông số mạng xếp hàng Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 10 Đồ án tốt nghiệp văn bản, hình ảnh, âm hỗn hợp ) Siêu văn loại văn thông thờng nhng lại chứa hay nhiều tham chiếu tới văn khác Nh nói trên, Web hệ thống cụ thể mà tập hợp công cụ tiện ích siêu giao diện ( meta-Interace) giúp ngời sử dụng tự tạo " siêu văn " cung cấp cho ngững ngời dùng khác Internet ngời ta gọi Công nghệ Web Công nghệ Web cho phép xử lí trang liệu đa phơng tiện truy nhập mạng diện rộng Thực chất Web hội tụ Internet, siêu văn thông tin đa phơng tiện URL (Union Resource Locator ) : Để thực việc truy nhập, liên kết tài nguyên khác theo kỹ thuật Siêu văn bản, Web sử dụng khái niệm URL Đây dạng tên để định danh cho tài liệu dịch vụ Web Cấu trúc URL : Protocol://host.domain/derictory/filename Ví dụ : HTTP://www.microsoft.com/index.htm Protocol : + Ftp file Fpt Server Ví dụ : Ftp://ftp.microsoft.com/file.doc + Mailto Địa E-mail cá nhân Ví dụ : someone@microsoft.com + File Truyền file + HTTP (Hypertext Transfer Protocol) URL đợc sử dụng tất dịch vụ thông tin Internet đặc biệt Web Mỗi trang Web có URL để xác định nó, thông qua URL truy cập tới tài nguyên dịch vụ Internet Hoạt động Web: Web browser Web server INTERNET Client(1) Server(2) Server(3) Bộ duyệt PC (web browser) gửi địa URL đến máy chủ nội Nếu trang Web có địa máy chủ máy chủ nội trang Web đợc máy chủ nội gửi đến cho PC Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 55 Đồ án tốt nghiệp Nếu trang Web có địa máy chủ máy chủ xa yêu cầu đợc chuyển tới máy chủ xa Trang Web cần thiết đợc máy chủ xa gửi lại cho máy chủ nội bộ, gửi cho máy PC yêu cầu 4.1.3 Giao thức http Web browser Web Server giao tiếp với thông qua giao thức HTTP (HyperText Transfer Protocol) Giao thức hỗ trợ truyền trao đổi nhiều thông tin khác nh văn bản, hình ảnh, âm thanh, theo chuẩn MIME cho thông tin truyền đợc nhận cách đắn 4.1.4 Khái niệm WebServer Web Server máy chủ chứa thông tin dới dạng trang Web Các Web Server đợc nối với Internet, Server có địa riêng bắt đầu HTTP:// Thành phần chủ chốt Web Server phần mềm Phần mềm WebServer phần mềm phục vụ Khi đợc thi hành nạp vào nhớ đợi yêu cầu từ nơi khác đến Các yêu cầu đến từ ngời sử dụng phần mềm Web browser từ WebServer khác Các đối tợng đa yêu cầu đợc gọi Client, yêu cầu WebServer thờng đòi hỏi liệu hay thông tin Khi nhận yêu cầu WebServer phân tích yêu cầu để xác định xem t liệu mà khách hàng muốn Sau tìm lấy t liệu gửi lại cho Client WebServer nh máy phục vụ thông tin Internet khác đợc nối với nhau, điều đòi hỏi máy tính phải có phần mềm giao tiếp với mạng phần cứng thích hợp Hầu hết giao thức chạy họ giao thức TCP/IP sử dụng giao thức truyền thông TCP 4.1.5 Hoạt động WebServer WebServer thực chất phần mềm phục vụ yêu cầu trang Web Khi đợc thực hiện, WebServer thực phân tích tham số dòng lệnh để xác định cổng truyền thông, nơi đặt tệp lệnh cấu hình Nếu tham số dòng lệnh thì, WebServer dùng cổng ngầm định cổng đợc khai báo tệp cấu hình httppd.conf coi tệp cấu hình nằm th mục ngầm định Sau tiến hành đọc tệp cấu hình phân tích tệp để xác định thông số cho trình hoạt động Các thông số số hiệu cổng truyền, định danh ngời dùng, th mục gốc WebServer Sau phân tích thông số cấu hình, WebServer chờ yêu cầu từ phía Client cổng xác định Khi có yêu cầu gửi tới cổng, WebServer nhận yêu cầu, phân tích yêu cầu để xác định t liệu mà khách hàng đòi hỏi Khi xác định đợc nội dung yêu cầu, tìm t liệu đợc Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 56 Đồ án tốt nghiệp yêu cầu mặt gửi cho Web browser , thông qua giao thức HTTP, mặt khác tài liệu đợc lu trữ vào cache WebServer nhận t liệu hiển thị lên hình cắt kết nối với WebServer Các t liệu trớc gửi tới Client đựoc lu trữ vào Cache Khi nhận đợc yêu cầu t liệu WebServer tìm cache 4.2 Hiệu WebServer 4.2.1 Các tiêu chuẩn đánh giá Web Server Web Server trung tâm hệ thống intranet , việc chọn giải pháp cho Web Serverlà cần thiết có ảnh hởng lớn tới việc phát triển ứng dụng nghiệp vụ Do nhận thức rõ đợc vấn đề có tác dụng lớn đến hiệu đầu t chi phí cho công nghệ Intranet Để đánh giá Web Server ta thờng có số tiêu chuẩn nh sau: Hiệu Bảo mật : Thông qua địa IP, tên máy chủ mạng con, th mục Web Oracle cung cấp phơng án bảo mật thông tin theo tên ngời sử dụng khoá mã đợc mã hoá hoàn toàn trình truyền thông mạng Truy nhập tích hợp CSDL : Hầu hết Web Server sử dụng giao diện CGI, số khác dùng giao diện lập trình ứng dụng (API) ngôn ngữ hỏi đáp có cấu trúc SQL Quản lí quản trị Web Server : Đặc tính quan trọng tiêu chuẩn khả quản trị từ xa, giao diện đồ họa điều khiển cấu hình máy chủ 4.2.2 Đánh giá hiệu WebServer mặt thời gian đáp ứng Một phiên truyền tin theo giao thức HTTP thực bớc sau: Bớc Client Yêu cầu kết nối Trả lời chấp nhận kết nối Server Báo nhận+ yêu cầu liệu1 Yêu cầu liệu Báo nhận(1) Yêu cầu liệu Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 57 Đồ án tốt nghiệp Báo nhận(2,3) + liệu Dữ liệu Báo nhận liệu liệu liệu + tín hiệu cắt kết nối Báo nhận liệu Tín hiệu cắt kết nối Báo nhận cắt kết nối Bớc giao thức HTTP thủ tục bắt tay client server xác định tham số để để truyền tin Dữ liệu đợc truyền đờng truyền theo giao thức TCP, theo giao thức liệu truyền đợc phân đoạn thành gói tin có kích thớc định, kích thớc lớn gói tin gọi MSS Giao thức truyên giao thức không đồng bộ, ngời gửi ngời gửi gửi gói tin tới bufer bên nhận bên nhận lấy gói tin từ bufer để xử lí Kích thớc buffer gọi kích thớc cửa sổ (Window size) Kích thớc cửa số ảnh hởng đến tốc độ truyền gói tin dựa vào kích thớc cửa số ta tính toán tốc độ truyền gói tin cho không xẩy tắc nghẽn Tốc độ truyền tối u tốc độ mà số gói tin mà bên nhận nhận đợc số gói tin mà bên gửi gửi đi, TCP đa tốc độ truyền tối u kí hiệu Slow Start Khi tốc độ truyền nhỏ giá trị Slow Start bên nhận tính đợc kích thớc cửa sổ khác chứa gói tin cha đợc báo nhận gọi Congestion Window Khi kết nối đợc thành lập, ngời gửi đợc phép gửi thêm gói tin cha có báo nhận, gói tin đợc báo nhận Congestion Window tăng Ngợc lại gói tin bị time out sổ giảm Thời gian tồn kết nối thờng lớn thời gian yêu cầu trao đổi ,tuy nhiên thời gian kết nối HTTP ngắn giá trị Slow Start có ảnh hởng lớn tới hiệu client server Vì header HTTP thờng lớn MSS nên client phải phân đoạn thành hai gói tin, bớc 2, cửa số Congestion Window đợc khởi tạo 1.Nh tồn thời gian trễ để gói tin trớc đợc báo nhận trớc gói tin đợc gửi Thời gian trễ đợc kí hiệu RTD (Ruond-Trip-Delay) Do kích thớc trang Web thờng lơn giá trị MSS nên tồn giá trị RTD liệu phải phân đoạn để truyền theo giao thức TCP Ta tính toán đợc thời gian đáp ứng server bao gồm - Thời gian gửi yêu cầu - Thời gian trễ RTD Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 58 Đồ án tốt nghiệp - Thời gian xử lí server - Thời gan để gửi đáp ứng Thời gian đáp ứng chung tổng tất thời gian 4.2.3 Đánh giá hiệu WebServer mặt dung lợng Một vấn đề lớn đặt việc quản lí Web cấu hình WebServer Các yếu tố cấu hình nh : hệ thống file, nhớ, dung lợng lu trữ, cache cần phải thay đổi liên tục cho đáp ứng đợc yều cầu client, với số lợng client ngày tăng Mặt khác mở rộng cấu hình phải tính toán dựa giá phần cứng yêu cầu hiệu Các yếu để đánh giá dung lợng WebServer bao gồm : - Phơng pháp cất file (caching file) - Hoạt động hệ thống file (file system activity) - Phân chia tiến trình phụ (forking slaves) - Sử dụng nhớ (Memory consumption) - Hoạt động tiến trình (Process activity) - Hoạt động mạng (network activity) - Thời gian đáp ứng (response-time characteristics) - Tính co dãn server-host - Thông lợng - Cấu hình Server - Dung lợng Proxy/gateway Để ớc tính đợc dung lợng phù hợp cho WebServer ta dựa số liệu logs file cấu hình WebServer Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 59 Đồ án tốt nghiệp Xây dựng chơng trình đánh giá thời gian đáp ứng WebServer sử dụng mô hình hàng đợi th viện PDQ Chơng 5.1 Mô hình hàng đợi PDQ để giải toán tính thời gian đáp ứng thông lợng WebServer Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 60 Đồ án tốt nghiệp client Maste r m Slaves Các yêu cầu Client đợc đa vào hàng đợi chính, sau xử lí để xác định địa WebServer đợc yêu cầu thông qua URL, yêu cầu đợc gửi tới hàng đợi WebServer Sau sử lí yêu cầu Slave gửi thông tin đợc yêu cầu Client Ta mô hình hoá hệ thống mạng hàng đợi đóng với số khách hàng (Clients) cố định N Mạng bao gồm hàng đợi đơn M/M/1 biểu diễn tiến trình m hàng đợi đơn M/M/1 diễn song song biểu diễn m tiến trình phụ nh hình vẽ Từ mô hình hàng đợi nêu ta xây dựng chơng trình sử dụng hàm th viện PDQ để xây dựng mạng hàng đợi xác định thông số cho hàng đợi - Khởi tạo mô hình PDQ_Init("HTTPd_Server") - Định nghĩa đặc trng tải cho hệ thống streams = PDQ_CreateClosed("homepage", TERM, 1.0 * pop, 0.0) Các tải tạo thuộc lớp terminal, thời gian nghĩ (s), pop số client hệ thống - Tạo hàng đợi cho tiên trình nodes = PDQ_CreateNode("master", CEN, FCFS); - Tạo hàng đợi cho tiến trình phụ : for (s = 0; s < servers; s++) { nodes = PDQ_CreateNode(slave[s], CEN, FCFS); } - Định nghĩa yêu cầu dịch vụ cho sever hàng đợi PDQ_SetDemand("master", work[w], Smaster); Thời gian dịch vụ yêu cầu Smaster - Định nghĩa yêu cầu dịch vụ cho server hàng đợi phụ : for (s = 0; s < servers; s++) { PDQ_SetDemand(slave[s], work[w], time[w] / servers) } Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 61 Đồ án tốt nghiệp - Giải mô hình theo kĩ thuật phân tích giá trị trung bình xác PDQ_Solve(EXACT); - Lấy thông lợng hệ thống : PDQ_GetThruput(TERM, "homepage") -Lấy thời gian đáp ứng hệ thống : PDQ_GetResponse(TERM, "homepage") 5.2 Lập chơng trình ngôn ngữ Visual C Mã nguồn chơng trình th viện PDQ đợc viết ngôn ngữ C chuẩn, để tiện việc sử dụng th viện ta chọn ngôn ngữ Visual C để cài đặt chơng trình minh hoạ Để sử dụng th viện PDQ file mã nguồn th viện PDQ đợc sử dụng th viện tĩnh Kết việc tạo th viện tĩnh ta đợc file th viện PDQ_Lib.lib Trong ứng dụng VC ta để truy cập hàm, biến th viện PDQ ta cần sử dụng file th viện PDQ_Lib.lib file tiêu đề PDQ_Lib h Dao diện chơng trình nh sau : Tham số đầu vào chơng trình ngời dùng nhập vào (INPUT DATA) bao gồm : - Số server : định số số serve slave đợc dùng ( số hàng đợi song song) - Thời gian dịch vụ Smaster : Thời gian dịch vụ yêu cầu server - Thời gian dịch vụ Slave : Thời gian dịch vụ cho client serve slave Dữ liệu chơng trình thông lợng thời gian đáp ứng hệ thống tơng ứng với tham số đầu với số client khác Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 62 Đồ án tốt nghiệp Dữ liệu đợc lu file "PDQ.dat" để lu lại cấn sử dụng đợc hiển thị hình Mã nguồn chơng trình nh sau : extern int nodes, streams; extern job_type *job; extern double getjob_pop(int c); extern int getjob_index(char *wname); extern double PDQ_GetResponse(int should_be_class, char *wname); extern double PDQ_GetThruput(int should_be_class, char *wname); extern double PDQ_GetUtilization(char *device, char *work, int should_be_class); int pop, servers ; int s, w; FILE *fp; static char *slave[] = { "slave0", "slave1", "slave2", "slave3", "slave4", "slave5", "slave6", "slave7", "slave8", "slave9", "slave10", "slave11", "slave12", "slave13", "slave14", "slave15" }; w = HOMEPG; fp=fopen("PQD.dat","a"); #ifdef PREFORK fprintf(fp,"Pre_fork model \"%s\" Load (m = %d)\n", w == STRESS ? work[STRESS] : work[HOMEPG], servers); #else Đề tài: Lí thuyết hàng đợi hiệu mạng máy tính Trang 63 Đồ án tốt nghiệp fprintf(fp,"Forking Model under \"%s\" Load \n",w == STRESS ? work[STRESS] : work[HOMEPG]); #endif fprintf(fp,"N\tX\tR\n"); fclose(fp); for (pop = 1; pop Sslave xảy tắc nghẽn tiến trình tiến trình phụ hiệu Do ta giả sử thời gian dịch vụ tiến trình bé tiến trình phụ Smaster [...]... vậy cha có cơ sở lý thuyết, kỹ thuật hoàn chỉnh và phù hợp với các ứng dụng thơng mại Chính vì vậy, trong phần đồ án của mình , em sẽ đi sâu về mạng xếp hàng để xây dựng công cụ để đánh giá hiệu năng của mạng máy tính Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang 13 Đồ án tốt nghiệp Chơng 2 2.1 Lý thuyết xếp hàng Các khái niệm cơ bản 2.1.1 Định nghĩa hàng đợi Hàng đợi là hệ thống bao... khách hàng vào/ ra hệ thống (input/output), hệ thống phục vụ (server), hàng đợi( queue) Queue input server output Khách hàng vào hệ thống đợc đa vào hàng đợi, đến lợt thì đợc phục vụ ở server, sau khi đợc phục vụ xong thì ra khỏi hệ thống Khi dùng hàng đợi ta hiểu là toàn Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang 14 Đồ án tốt nghiệp bộ hệ thống xếp hàng bao gồm các yêu cầu đợi phục vụ và. .. hàng của server Hệ thống serve phục vụ nh vậy là hệ thống không nhớ Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang 23 Đồ án tốt nghiệp 2.3.1.3 Tính toán các tham số cho hàng đợi M/M/1 : - Xác suất trạng thái : nh đã định nghĩa ta có trạng thái của hàng đợi tại một thời điểm là số khách hàng có mặt trong hàng đợi tại thời điểm đó Trong bối cảnh của việc đánh giá hiệu năng của mạng máy tính. .. dụng cho mạng các hàng đợi CANON đóng Sử dụng kĩ thuật giải kinh điển áp dụng cho mạng các hàng đợi EXACT đợi đóng Sử dụng kĩ thuật giải MVA chính xác áp dụng cho mạng các hàng 3.1.3.2 Biến toàn cục: Các biến toàn cục sau là bắt buộc cho mỗi mô hình PDQ int nodes Biến đếm số hàng đợi trong mạng hàng đợi Giá trị xác định nhờ hàm PDQ_CreateNode() Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang... đợc một lợng khách hàng hạn chế Gọi N là số khách hàng của hệ thống N là một tham số của mô hình Mỗi khách hàng trong hệ thống ở một trong các trạng thái: hoặc là đi vào hàng đợi (thời gian chuẩn bị để đi vào hàng đợi đợc gọi là thời gian nghĩ của hệ thống Z) hoặc đã ở trong hàng đợi và chờ đợc phục vụ Trong hệ này, ta có: R = N Z X Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang 26 Đồ án... Sevcik và Mitriani 1981] Đối với một hệ thống hàng đợi đóng có N công việc, thời gian lu trú trung bình trong mỗi hàng đợi là R=S+SQ(N-1) trong đó Q(N-1) là độ dài trung bình hàng đợi này khi có N-1 công việc trong mạch Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang 28 Đồ án tốt nghiệp 2.4.2 Xác suất trạng thái của mạng các hàng đợi- khái niệm nghiệm dạng tích PFS Giả sử ta có một mạng xếp hàng. .. thống ta tính P n(t) là xác suất để hệ thống có véc tơ trạng thái n tại thời điểm t Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang 18 Đồ án tốt nghiệp 2.2 Một số thuyết đợc sử dụng trong tính toán hàng đợi Mô hình mạng xếp hàng là một mô hình cổ điển, vì vậy các lý thuyết liên quan đến nó đã đợc phát biểu khá chỉnh Dới đây là một số qui tắc cơ bản dùng để tính toán hiệu năng trong các mạng. .. p n = p 0 và Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính p0= à n=0 n Trang 24 Đồ án tốt nghiệp Đặt = à thì ta có p n = n p 0 và p0 = 1 Hay p n = n (1 ) Dựa vào xác suất trạng thái đợc tính nh trên ta có thể tính đợc các tham số của hàng đợi khác nh sau Đối với hàng đợi M/M/1 thì độ hiệu dụng của hệ thống chính là xác suất để hệ thống không rỗng, do đó ta có độ hiệu dụng của... không Markov 2.3.1 hàng đợi Markov M/M/1 Hình 2.2 .Hàng đợi đơn giản Hàng đợi đơn giản là hàng đợi chỉ có 1 server, với thời gian phục vụ cho mỗi khách hàng là nh nhau, do đó, thời gian phục vụ trung bình S cố định Chiến lợc của hàng đợi này là chiến lợc FIFS Hàng đợi M/M/1 có hai đặc trng chủ yếu là : Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang 22 Đồ án tốt nghiệp - Tiến trình đến là... bình trong hàng thứ i khi có N khách hàng trong mạng M áp dụng công thức little cho toàn bộ mạng các hàng đợi : Y( N ) i ( N ) =N i =1 M áp dụng công thức Little cho hàng đợi i ta có Y( N ) i ( N ) = n i ( N ) i =1 Trên cơ sở trên ta có hai thuật toán tính giá trị trung bình nh sau Đề tài: Lí thuyết hàng đợi và hiệu năng mạng máy tính Trang 31 Đồ án tốt nghiệp 2.4.4.1 Thuật toán chính xác: Tính thời