CHƯƠNG 4 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA MẠNG MÁY TÍNH
4.5. Đỏnh giỏ hiệu năng mạng
4.5.1. Khỏi niệm hiệu năng và cỏc độ đo hiệu năng mạng
Khỏi niệm hiệu năng mạng
Theo nghĩa chung, hiệu năng là một độ đo cụng việc mà một hệ thống thực hiện được. Hiệu năng chủ yếu được xỏc định bởi sự kết hợp của cỏc nhõn tố: tớnh sẵn sàng để dựng (availability), thụng lượng (throughput) và thời gian đỏp ứng (response time). Đối với mạng mỏy tớnh, hiệu năng cũng cũn được xỏc định dựa trờn cỏc nhõn tố khỏc nữa, thớ dụ: thời gian trễ (delay), độ tin cậy (reliability), tỉ suất lỗi (error rate), hiệu năng của ứng dụng v.v.
Tuỳ theo mục đớch nghiờn cứu cụ thể, hiệu năng cú thể chỉ bao gồm một nhõn tố nào đú hoặc là sự kết hợp một số trong cỏc nhõn tố nờu trờn.
Cỏc độ đo hiệu năng mạng
Cú thể phõn cỏc độ đo hiệu năng thành hai loại: cỏc độ đo hướng tới người sử dụng và cỏc độ đo hướng tới hệ thống. Trong cỏc độ đo hướng tới người sử dụng, thời gian đỏp
ứng (response time) thường được sử dụng trong cỏc hệ thời gian thực hoặc cỏc mụi trường hệ thống tương tỏc. Đú là khoảng thời gian từ khi cú một yờu cầu (request) đến hệ thống cho đến khi nú được hệ thống thực hiện xong. Trong cỏc hệ thống tương tỏc, đụi khi người ta sử dụng độ đo thời gian phản ứng của hệ thống (system reaction time) thay cho thời gian đỏp ứng. Đú là khoảng thời gian tớnh từ khi input đến hệ thống cho đến khi yờu cầu chứa trong input đú nhận được khe thời gian (slice time) phục vụ đầu tiờn. Độ đo này đo mức độ hiệu dụng của bộ lập lịch của hệ thống trong việc nhanh chúng cung cấp dịch vụ cho một yờu cầu mới đến. Trong cỏc hệ thống mạng mỏy tớnh, cỏc đại lượng thời gian đỏp ứng, thời gian phản ứng của hệ thống đều được xem là cỏc biến ngẫu nhiờn, vỡ vậy người ta thường núi về phõn bố, kỳ vọng, phương sai... của chỳng.
Cỏc độ đo hướng tới hệ thống điển hỡnh là thụng lượng (throughput) và thời gian trễ (delay time, delay). Thụng lượng được định nghĩa là số đơn vị thụng tin tớnh trung bỡnh được vận chuyển qua mạng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thụng tin ở đõy cú thể là bit, byte hay gúi số liệu... Nếu cỏc đơn vị thụng tin đi vào mạng theo một cơ chế độc lập với trạng thỏi của mạng, thỡ thụng lượng cũng chớnh bằng tốc độ đến trung bỡnh nếu mạng vẫn cũn cú khả năng vận chuyển, khụng dẫn đến trạng thỏi bị tắc nghẽn. Một số trường hợp người ta sử dụng đại lượng khụng thứ nguyờn Hệ số sử dụng đường truyền
(Line Utilization) hay cũn gọi thụng lượng chuẩn hoỏ, đú là tỉ số của thụng lượng trờn năng lực vận chuyển của đường truyền (line capacity). Thời gian trễ là thời gian trung bỡnh để vận chuyển một gúi số liệu qua mạng, từ nguồn tới đớch. Cũng cú trường hợp người ta sử dụng đại lượng thời gian trễ chuẩn hoỏ, đú là tỉ số của thời gian trễ trờn một tham số thời gian nào đú, thớ dụ thời gian cần thiết để truyền một gúi tin (packet transmition time).
4.5.2. Tầm quan trọng của việc đỏnh giỏ hiệu năng mạng mỏy tớnh
Trong suốt lịch sử tiến hoỏ của mạng mỏy tớnh, vấn đề đỏnh giỏ và dự đoỏn hiệu năng mạng luụn thu hỳt sự quan tõm của những người nghiờn cứu và thiết kế mạng; mục đớch chớnh là để nắm được và cải thiện đặc trưng giỏ - hiệu năng (cost-performance).
Yờu cầu đỏnh giỏ và dự đoỏn hiệu năng mạng đặt ra ngay từ khi người ta thiết kế kiến trỳc của hệ thống cho đến khi mạng đó được lắp đặt và đưa vào hoạt động. Trong giai đoạn đầu của quỏ trỡnh thiết kế, người ta thường phải dự đoỏn hai điều. Thứ nhất là bản chất của cỏc ứng dụng sẽ chạy trờn mạng và cỏc yờu cầu dịch vụ mà cỏc ứng dụng này đũi hỏi hệ thống mạng phải đỏp ứng. Điều dự đoỏn thứ hai liờn quan tới việc lựa chọn một trong cỏc thiết kế kiến trỳc, dựa trờn cỏc cụng nghệ phần cứng và phần mềm sẽ được phỏt triển và đưa ra thị trường trong tương lai, khi hệ thống mạng bước vào giai đoạn triển khai thực hiện.
Sau khi đó lựa chọn kiến trỳc và bắt đầu thiết kế, triển khai hệ thống mạng, việc dự đoỏn và đỏnh giỏ hiệu năng sẽ trở nờn cụ thể hơn. Thớ dụ sẽ chọn đường truyền vật lý như thế nào, cỏc đặc tớnh của đường truyền được chọn sẽ ảnh hưởng thế nào đến hiệu năng của mạng. Cỏc kỹ thuật được dựng để dự đoỏn và đỏnh giỏ hiệu năng mạng trong giai đoạn thiết kế và triển khai thực hiện cú khi chỉ là cỏc tớnh toỏn bằng tay, nhưng cũng cú khi là cỏc mụ phỏng rất tinh vi. Việc so sỏnh hiệu năng dự đoỏn với hiệu năng thực tế đạt được thường giỳp cho nhà nghiờn cứu thấy được cỏc khiếm khuyết chớnh trong thiết kế hoặc cỏc lỗi trong việc lập trỡnh hệ thống. Ngày nay, việc dự đoỏn và đỏnh giỏ hiệu năng thường được người ta coi là một phần khụng thể thiếu được của cụng việc thiết kế và triển khai thực hiện hệ thống.
Định cấu hỡnh mạng: Sau khi mạng đó được triển khai thực hiện, việc dự đoỏn và
đỏnh giỏ hiệu năng mạng đối với cỏc ứng dụng cụ thể cũng cú ý nghĩa quan trọng. Nhằm đạt được sự tối ưu hoỏ, nhà sản xuất phải chỉ ra được cỏc cỏch kết hợp và tổ chức phần cứng và phần mềm mạng để đem lại một giải phỏp tốt nhất cho cỏc yờu cầu của khỏch hàng, việc này thường được gọi là định cấu hỡnh mạng. Mặc dự cú thể vẫn sử dụng cỏc cụng cụ và phương phỏp đó được sử dụng trong giai đoạn phỏt triển hệ thống, nhưng cần phải bổ sung thờm một số yếu tố nữa. Đặc điểm mụi trường của người sử dụng sản phẩm mạng cần được biểu diễn bằng cỏc tham số định lượng và đưa vào mụ hỡnh mụ phỏng hiệu năng.
Tinh chỉnh hệ thống: Sau khi hệ thống sản phẩm đó được lắp đặt tại địa điểm của khỏch hàng, nhà cung cấp sản phẩm cần phải làm sao cho hệ thống mà họ bỏn cho khỏch hàng đạt được hiệu năng hoạt động như họ đó hứa hẹn khi chào hàng, việc này được gọi là tinh chỉnh hệ thống. Đối với cỏc hệ thống mạng, việc tỡm ra được điểm làm việc tối ưu và ổn định trờn toàn mạng là rất khú.
4.5.3. Cỏc phương phỏp đỏnh giỏ hiệu năng mạng
Cú nhiều phương phỏp đỏnh giỏ hiệu năng mạng mỏy tớnh, cú thể chia chỳng làm ba loại: mụ hỡnh Giải tớch (Analytic Models), mụ hỡnh Mụ phỏng (Simulation Models) và Đo hiệu năng (Measurement).
Mụ hỡnh Giải tớch
Trong cỏc mạng chuyển mạch gúi, gúi số liệu là cỏc khối dữ liệu cú chiều dài thay đổi được, được truyền qua mạng từ nguồn tới đớch theo một con đường nào đú do hệ thống mạng quyết định. Cỏc tài nguyờn mạng sẽ được chia sẻ giữa cỏc gúi số liệu khi chỳng đi qua mạng. Số lượng và chiều dài cỏc gúi số liệu đi vào hoặc đi qua mạng tại mọi thời điểm, thời gian kộo dài cỏc cuộc kết nối v.v., tất cả cỏc tham số này núi chung, thay đổi một cỏch thống kờ. Vỡ vậy, để nờu ra cỏc tiờu chuẩn đo lường định lượng về hiệu năng, cần phải sử dụng cỏc khỏi niệm về xỏc suất để nghiờn cứu sự tương tỏc của chỳng với mạng. Lý thuyết Hàng đợi đúng vai trũ mấu chốt trong việc phõn tớch mạng, bởi vỡ đú là cụng cụ Toỏn học thớch hợp nhất để phỏt biểu và giải cỏc bài toỏn về hiệu năng. Theo phương phỏp này, chỳng ta viết ra cỏc mối quan hệ hàm giữa cỏc tiờu chuẩn hiệu năng cần quan tõm và cỏc tham số của hệ thống mạng bằng cỏc phương trỡnh cú thể giải được bằng giải tớch.
Mụ phỏng
Theo nghĩa chung nhất, mụ phỏng là sự bắt chước một hay nhiều khớa cạnh của sự vật cú thực, bằng một cỏch nào đú càng giống càng tốt. Trong cỏc lĩnh vực nghiờn cứu hiện đại, như lĩnh vực đỏnh giỏ hiệu năng mạng, mụ phỏng được hiểu là một kỹ thuật sử dụng mỏy tớnh điện tử số để làm cỏc thớ nghiệm về mạng cú liờn quan đến thời gian. Mụ hỡnh Mụ phỏng mụ tả hành vi động của mạng, ngay cả khi người nghiờn cứu chỉ quan tõm đến giỏ trị trung bỡnh của một số độ đo trong trạng thỏi dừng. Cấu trỳc và độ phức tạp của bộ mụ phỏng phụ thuộc vào phạm vi của thớ nghiệm mụ phỏng. Nú thường được xõy dựng cú cấu trỳc, cho phộp mụ-đun hoỏ chương trỡnh mụ phỏng thành tập cỏc chương trỡnh con, sao cho việc sửa đổi, bổ sung cỏc chương trỡnh con được dễ dàng. Ngoài ra, chương trỡnh mụ phỏng cũng phải được xõy dựng sao cho đạt được tốc độ cao nhằm làm giảm thời gian chạy mụ phỏng càng nhiều càng tốt.
Đo
Đú là phương phỏp xỏc định hiệu năng dựa trờn việc đo trờn mạng thực cỏc tham số mạng cấu thành độ đo hiệu năng cần quan tõm. Việc đo hiệu năng nhằm thực hiện một trong cỏc nhiệm vụ sau. Một là, giỏm sỏt hiệu năng của mạng . Hai là, thu thập số liệu để lập mụ hỡnh dữ liệu vào cho cỏc phương phỏp đỏnh giỏ hiệu năng bằng giải tớch hoặc mụ phỏng. Nhiệm vụ thứ ba là kiểm chứng cỏc mụ hỡnh khỏc dựa trờn cỏc số liệu đo được. Đo hiệu năng khụng chỉ quan trọng trong cỏc giai đoạn triển khai thực hiện và tớch hợp hệ thống mà cũn cả trong cỏc giai đoạn lắp đặt và vận hành hệ thống. Bởi vỡ sau khi lắp đặt và đưa vào sử dụng, mỗi một hệ thống cụ thể sẽ cú một tải hệ thống và cỏc độ đo hiệu năng được quan tõm riờng của nú, cho nờn sau khi lắp đặt, người ta thường phải điều chỉnh cấu hỡnh cho phự hợp. Cỏc tham số cấu hỡnh sẽ được chọn sau khi cỏc phộp đo hiệu năng cho thấy cỏc tham số cấu hỡnh này làm cho hệ thống đạt được hiệu năng tốt nhất. Trong thực tế, mọi người đều thừa nhận tầm quan trọng của việc đo và đỏnh giỏ hiệu năng. Chỳng ta cú thể thấy rừ điều này qua việc, hầu như tất cả cỏc hệ thống mạng đều tớch hợp bờn trong nú cỏc cụng cụ đo và đỏnh giỏ hiệu năng; nhờ đú cú thể đo hiệu năng bất cứ lỳc nào trong suốt vũng đời của hệ thống.
So sỏnh cỏc phương phỏp đỏnh giỏ hiệu năng
Mụ hỡnh Giải tớch: Nếu cú thể sử dụng mụ hỡnh Giải tớch thỡ đú là điều tốt nhất, bởi
vỡ chỳng ta cú thể thay đổi cỏc tham số hệ thống và cấu hỡnh mạng trong một miền rộng với chi phớ thấp mà vẫn cú thể đạt được cỏc kết quả mong muốn. Tuy nhiờn, cỏc mụ hỡnh Giải tớch mà chỳng ta xõy dựng thường là khụng thể giải được nếu khụng được đơn giản hoỏ nhờ cỏc giả thiết, hoặc được phõn ró thành cỏc mụ hỡnh nhiều cấp. Cỏc mụ hỡnh giải được thường rất đơn giản hoặc khỏc xa thực tế, cho nờn phương phỏp này thường chỉ được sử dụng ngay trong giai đoạn đầu của việc thiết kế mạng, giỳp cho người thiết kế dự đoỏn được cỏc giỏ trị giới hạn của hiệu năng. Ngoài ra, cỏc kết quả của phương phỏp này bắt buộc phải được kiểm nghiệm bằng kết quả của cỏc phương phỏp khỏc, như mụ phỏng hoặc đo.
Mụ phỏng: Trong những trường hợp mụ hỡnh Giải tớch mà chỳng ta nhận được, dự
đó được đơn giản hoỏ, hoặc phõn ró nhưng vẫn khụng thể giải được bằng Toỏn học, khi đú, núi chung, chỳng ta sẽ chỉ cũn một phương phỏp là mụ phỏng. Phương phỏp mụ phỏng cú thể được sử dụng ngay trong giai đoạn đầu của việc thiết kế hệ thống mạng, cho đến giai đoạn triển khai thực hiện và tớch hợp hệ thống. Phương phỏp này núi chung, đũi hỏi một chi phớ rất cao cho việc xõy dựng bộ mụ phỏng cũng như kiểm chứng tớnh đỳng đắn của nú. Tuy nhiờn, sau khi đó xõy dựng xong bộ mụ phỏng, người nghiờn cứu cú thể tiến hành chạy chương trỡnh mụ phỏng bao nhiờu lần tuỳ ý, với độ chớnh xỏc theo yờu cầu và chi phớ cho mỗi lần chạy thường là rất thấp. Cỏc kết quả mụ phỏng núi chung vẫn cần được kiểm chứng, bằng phương phỏp giải tớch hoặc đo, nhất là bằng phương phỏp đo. Phương phỏp mụ hỡnh Giải tớch và mụ hỡnh Mụ phỏng đúng vai trũ rất quan trọng trong việc thiết kế và triển khai thực hiện hệ thống, đặc biệt là ở giai đoạn đầu.
Đo: Phương phỏp đo chỉ cú thể thực hiện được trờn mạng thực, đang hoạt động, nú
cũng đũi hỏi chi phớ cho cỏc cụng cụ đo và cho việc tiến hành đo. Việc đo cần được tiến hành tại nhiều điểm trờn mạng thực, ở những thời điểm khỏc nhau và cần lặp đi lặp lại trong một khoảng thời gian đủ dài, thậm chớ cú thể dài đến hàng thỏng. Ngoài ra, người nghiờn cứu phải cú kiến thức về Lý thuyết thống kờ thỡ mới cú thể rỳt ra được cỏc kết luận hữu ớch từ cỏc số liệu thu thập được. Mặc dầu vậy, bằng phương phỏp đo cú thể vẫn khụng phỏt hiện ra được hoặc dự đoỏn được cỏc hành vi đặc biệt của mạng.
4.6. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP