1. Giới thiệu chung
Trong mọi hệ thống tính toán nói chung hay mạng máy tính nói riêng, đánh giá hiệu suất (preformance evaluation) là xác định về mặt định tính và định lượng chất lượng phục vụ của hệ thống tính toán đó đối với một loại bài toán nhất định. Đối với một giao thức, đánh giá hiệu suất là xác định về mặt định tính và định lượng chất lượng truyền tải đối với một lưu lượng thông tin nhất định. Chất lượng truyền tải số liệu của một giao thức được xác định bằng các đại lượng như: thông lượng (throughput), nghĩa là: số lượng số liệu – tính bằng bit, byte hoặc gói số liệu - được truyền tải trong một đơn vị thời gian; thời gian trễ (delay) khi truyền tải số liệu trên một hệ thống mạng; xác suất lỗi truyền số liệu (còn gọi là xác suất lỗi bit hoặc xác suất lỗi gói số liệu); thời gian xử lý, khắc phục lỗi…
Đánh giá hiệu suất giao thức có ý nghĩa lý luận và thực tiễn quan trong, xuyên suốt toàn bộ quá trình thiết kế, thực hiện và sử dụng giao thức. Mục tiêu cuối cùng của việc thiết kế, thực hiện và vận hành một hệ thống kỹ thuật nói chung và các giao thức trao đổi số liệu máy tính nói riêng cần đạt được tính hiệu quả và chất lượng cao trong hoạt động phục vụ của hệ thống đó. Từ đây mới đi đến các quyết định như lựa chọn phần cứng, phần mềm đã có hoặc sẽ có trong quá trình triển khai. Để đánh giá
Trang 73 hiệu suất mạng người ta phân các độ đo hiệu suất thành hai loại: Độ đo hướng tới người sử dụng và độ đo hướng tới hệ thống.
Độ đo hướng tới người sử dụng thường được sử dụng trong các hệ thống thời gian thực hoặc các môi trường hệ thống tương tác. Thí dụ thời gian đáp ứng (response time), là thời gian từ khi có yêu cầu đến khi công việc xử lý yêu cầu đó hoàn thành. Trong các hệ thống tương tác đôi khi người ta sử dụng độ đo thời gian phản ứng của hệ thống (system reaction time) là khoảng thời gian từ lúc input được đưa vào hệ thống cho đến khi yêu cầu này được nhận được khe phục vụ đầu tiên. Độ đo thời gian phản ứng của hệ thống sử dụng để đo mức độ hiệu dụng của bộ lập lịch cung cấp dịch vụ cho một yêu cầu mới đến.
Độ đo hướng tới hệ thống trong mạng máy tính có thể là thông lượng và thời gian trễ. Thông lượng thể hiện số đơn vị thông tin (bit, byte hoặc packet) tính trung bình được vận chuyển qua mạng trong một đơn vị thời gian hoặc có thể được tính bằng tốc độ đến trung bình trong trường hợp mạng chưa đến tình trạng tắc nghẽn. Thời gian trễ là thời gian trung bình để chuyển một đơn vị thông tin qua mạng từ nguồn tới đích.
Có thể phân loại các phương pháp phân tích, đánh giá hiệu suất một cách tổng quan đối với một hệ thống chung như sau:
Trang 74
2. Đánh giá hiệu suất bằng mô hình toán học
Sử dụng các mô hình xác xuất thống kê cũng như lý thuyết hàng đợi để đánh giá hiệu suất, sau đó xây dựng một mối quan hệ dạng hàm với những tham số là các đặc trưng riêng của hệ thống mạng cũng như các yêu cầu của ứng dụng về thời gian trễ, băng thông hay thời gian đáp ứng của hệ thống. Các quan hệ này được lập thành các mô hình có thể giải được bằng giải tích. Các tham số mạng ở đây là số lượng, chiều dài gói tin, thời gian kết nối, các tài nguyên được chia sẻ,.. Các tham số này thay đổi một cách ngẫu nhiên. Các tiêu chuẩn hiệu suất có thể là thông lượng, độ trễ, hệ số sử dụng đường truyền,.. Trong mô hình này, các đại lượng liên quan đến khái niệm xác suất thường được tính toán như các giá trị trung bình, kỳ vọng, phương sai. Lý thuyết hàng đợi đóng vai trò mấu chốt trong việc phân tích mạng, bởi vì đây là công cụ Toán học thích hợp nhất để phát biểu và giải các bài toán về hiệu suất.
Phương pháp sử dụng mô hình giải tích là một phương pháp rất tốt là vì nó được thực hiện với chi phí thấp nhất, khi muốn tính hiệu suất với các tham số khác ta chỉ cần thay đổi các tham số hệ thống và cấu hình mạng với một chi phí rất thấp (chỉ cần thực hiện lại các thao tác tính toán đã xây dựng trước) các tham số hệ thống hay việc cấu hình, xây dựng mạng có thể thay đổi trong miền rộng mà vẫn có được kết quả. Tuy nhiên, phương pháp này lại gặp phải khó khăn khi triển khai thực tế là nếu không loại bỏ đi một số yếu tố không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống hay đơn giản hoá bài toán bằng các giả thiết thích hợp, hoặc phân rã thành các mô hình nhiều cấp thì rất khó thực hiện. Nhưng nếu loại bỏ những yếu tố này thì vô hình chung chúng ta đã biến hệ thống hoạt động trong một môi trường lý tưởng, phi thực tế, Các kết quả thu được thường không phản ánh chính xác thực tế, cho nên phương pháp này thường chỉ được sử dụng ngay trong giai đoạn đầu của việc thiết kế mạng, giúp cho
Trang 75 người thiết kế dự đoán được các giá trị giới hạn của hiệu suất. Ngoài ra, các kết quả của phương pháp này bắt buộc phải được kiểm nghiệm bằng các phương pháp khác, như mô phỏng hoặc đo.
3. Đánh giá hiệu suất bằng đo thực tế
Tương tự như trong các ngành toán học hay đo lường khác, hiệu suất mạng cũng có thể được đánh giá bằng phương pháp đo thực tế. Phương pháp này theo dõi, giám sát năng lực hoạt động của mạng máy tính khi đang hoạt động. Việc thu thập các thông tin, số liệu để có thể tính được độ đo hiệu suất mạng trong thời gian này, rút ra quy luật, sau đó lập mô hình rồi đưa vào mô hình mô phỏng hay mô hình giải tích để hỗ trợ cho việc đánh giá hiệu suất. Hai nhiệm vụ quan trọng mà việc đo phải đảm nhiệm là: 1/ thu thập số liệu để lập mô hình dữ liệu vào cho các phương pháp đánh giá hiệu suất khác; 2/ kiểm chứng các mô hình khác dựa trên các số liệu đo được. Việc đo phải được tiến hành xuyên suốt từ khi xây dựng giải pháp cho hệ thống, giai đoạn lắp đặt và sau khi đưa hệ thống vào hoạt động. Trong giai đoạn xây dựng giải pháp, việc đo sẽ giúp quyết định loại thiết bị nào phù hợp nhất với điều kiện của khách hàng. Trong giai đoạn lắp đặt, việc đo hiệu suất giúp người ta điều chỉnh lại cấu hình cho phù hợp. Việc đo hiệu suất mạng sau khi hệ thống đi vào hoạt động giúp quản trị viên theo dõi tình trạng của mạng để có các phương án khắc phục các sự cố nếu có. Hiện nay, hầu như tất cả các hệ thống mạng đều tích hợp bên trong các công cụ đo và đánh giá hiệu suất; nhờ đó có thể đo hiệu suất bất cứ lúc nào trong suốt vòng đời của hệ thống.
Ngoài ưu điểm là tính chính xác cao thì nhược điểm của phương pháp đo là phải được thực hiện trên mạng thực, nó cũng đòi hỏi chi phí cho các công cụ đo và cho việc tiến hành đo. Việc đo cần được tiến hành tại nhiều điểm, ở những thời điểm khác nhau và cần lặp đi lặp lại trong một khoảng thời gian đủ dài. Ngoài ra, người nghiên cứu phải có kiến
Trang 76 thức về Lý thuyết thống kê thì mới có thể rút ra được các kết luận hữu ích từ các số liệu thu thập được. Mặc dầu vậy, bằng phương pháp đo có thể vẫn không phát hiện hoặc dự đoán được các hành vi đặc biệt của mạng.
4. Đánh giá hiệu suất bằng mô phỏng
Mô phỏng lại những sự vật tương tự như thực tế dưới dạng một mô hình là sự bắt chước một hay nhiều khía cạnh của sự vật có thực, bằng một cách nào đó càng giống càng tốt với một hình thái nhỏ hơn, dễ quan sát hơn và không phải đầu tư kinh phí nhiều, thông thường nó là các chương trình máy tính có cấu trúc được module hóa, có tính mở, dễ dàng cho việc thay đổi, bổ sung các thành phần nhằm thực hiện các mục đích khác nhau. Mô phỏng tương tự như một thí nghiệm với những khoảng thời gian khác nhau để kiểm tra các kết quả hoạt động trong mỗi khoảng thời gian đó. Thường khi mô phỏng mạng, người ta quan tâm tới các độ đo của mạng và đánh giá nó trong trạng thái dừng. Nói một cách khác, trong việc đánh giá hiệu suất mạng, mô phỏng là một kỹ thuật sử dụng máy tính để thực hiện các thí nghiệm về mạng. Trong mô hình này người ta có thể theo dõi được sự hoạt động của mạng theo tiến trình thời gian. Ngày nay, với sự trợ giúp đắc lực của máy tính, phương pháp này tỏ ra rất hiệu quả và được sử dụng rộng rãi.
Đối với mô hình mô phỏng, việc quan trọng nhất là xây dựng được bộ mô phỏng. Việc này đòi hỏi nhiều công sức và thời gian. Độ lớn của bộ mô phỏng tuỳ thuộc vào độ phức tạp của thí nghiệm mô phỏng. Nó thường được xây dựng có cấu trúc, cho phép mô-đun hoá chương trình mô phỏng thành tập các chương trình con, sao cho việc sửa đổi, bổ sung các chương trình con được dễ dàng. Ngoài ra, các chương trình mô phỏng cũng phải được xây dựng sao cho tối ưu hoá về mặt tốc độ nhằm làm giảm thời gian chạy mô phỏng.
Trang 77 Có nhiều trường hợp dùng phương pháp giải tích, mặc dù đã được đơn giản hoá tối đa nhưng vẫn không giải được thì người ta chỉ còn cách dùng phương pháp mô phỏng. Mặt khác nó đặc biệt hiệu quả trong giai đoạn thiết kế hệ thống, bởi vì người ta có thể chọn các thiết bị mạng (ảo) một cách thoải mái và đánh giá mức độ phù hợp của nó trước khi quyết định đầu tư cho hệ thống. Mặc dù phương pháp này đòi hỏi phải xây dựng bộ mô phỏng với chi phí rất cao, nhưng sau khi đã xây dựng được thì có thể thực hiện bao nhiêu thí nghiệm tuỳ ý theo các tham số khác nhau với chi phí rất thấp.
Cả ba phương pháp đánh giá hiệu suất đều có những ưu nhược điểm nhất định. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu suất giao thức WLDA+. Có nhiều phương pháp mô phỏng nổi tiếng trên thế giới như Network Simulator (NS), hay Netsim hoặc RouterSim.v.v. Nhưng được sử dụng nhiều nhất trong các môi trường trường học, nghiên cứu hay mô phỏng những ứng dụng lớn đòi hỏi sự phân tích kỹ lưỡng là phần mềm NS. Do đó, chúng tôi cũng mạnh dạn nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng này và áp dụng vào việc kiểm chứng hiệu suất của giao thức TCP, UDP, RTP và WLDA+.