IS516 การสื่อสารคอมพิวเตอร์และเครือข่าย (Computer Communication and Networks) Lecture 8 การวัดประสิทธิภาพและ

1. IS516 การสื่อสารคอมพิวเตอร์และเครือข่าย(Computer Communication and Networks)Lecture 8การวัดประสิทธิภาพและ การออกแบบระบบที่มีประสิทธิภาพสูง

2. หัวข้อและกำหนดการสอน(หลังMid-term)หัวข้อและกำหนดการสอน(หลังMid-term)

3. ประสิทธิภาพของเครือข่ายประสิทธิภาพของเครือข่าย

4. Types of Information • Audio • CD audio quality: 44000smp/sec, each sample using 16 bits • 16 bits * 44000smp/sec = 1.41mbps to transmit clearly • Data • Digital data is binary: uses 1s and 0s to represent everything • Data encoded in strings i.g. ASCII • Image • Common Raster Formats; JPEG, GIF • Common Document Formats: PDF, Postscript, (Both include text and graphics) • More pixels=better quality=larger size • More compression=reduced quality=increased speed • “Lossy” gives from 10:1 to 20:1 compression • “Lossless” gives less than 5:1 • Format (vector vs bitmapped/raster) affects size and therefore bandwidth requirements • Video • Sequences of images over time • Significantly higher bandwidth requirements in order to send images (frames) quickly enough

5. ปัญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพบนระบบเครือข่ายปัญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพบนระบบเครือข่าย • ความคับคั่งของข้อมูลเนื่องจากการใช้งานเกินขีดความสามารถของทรัพยากรที่มี • การใช้อุปกรณ์ต่อพ่วงหลายชนิดที่ไม่สมดุลกัน • ปัญหา “Broadcast storm” อันเนื่องจากการกำหนดค่าพารามิเตอร์สำหรับการควบคุมผิดพลาดในการสื่อสารแบบกระจายข่าว • ปัญหาการ “Restart” โฮสภายหลังจากที่ระบบไฟฟ้ากลับคืนสู่สภาพปกติ

6. ปัญหาการนำโปรโตคอลแบบเก่ามาใช้ควบคุมการสื่อสารในระบบเครือข่ายความเร็วสูงมากปัญหาการนำโปรโตคอลแบบเก่ามาใช้ควบคุมการสื่อสารในระบบเครือข่ายความเร็วสูงมาก ตัวอย่างการส่งข้อมูลข้ามประเทศสหรัฐอเมริกา • ระยะทางไปกลับหนึ่งรอบประมาณ 5000 ก.ม. • สมมติให้ผู้รับมี buffer ขนาด 64 KB • ความเร็วในการส่งข้อมูล 1 Gbps • ระยะเวลาในการส่งข้อมูลจากผู้ส่งถึงผู้รับ 20 msec ส่งข้อมูล 64 KB ด้วยความเร็ว 1 Gbps เสร็จในเวลา 0.5 msec อีก 20msec ต่อมา แพ็กเกต TPDU ตัวแรกจึงเดินทางไปถึง ในที่สุด 40 msec นับตั้งแต่เริ่มต้นการทำงาน แพ็กเกตตอบรับตัวแรกเดินทางไปถึงผู้ส่ง ซึ่งจะส่งข้อมูลชุดที่ 2 ออกมาได้ เห็นได้ว่า สายสื่อสารถูกใช้งานเพียง 0.5msec หรือประมาณ 1.25% เท่านั้น

7. Performance Problems in Computer Networks สถานะการถ่ายทอดข้อมูลขนาด 1 ล้านบิตจาก San Diego ไปยัง Boston (a) ที่เวลา t = 0, (b) เมื่อเวลาผ่านไป 500 μsec, (c) เมื่อเวลาผ่านไป 20 msec, (d) เมื่อเวลาผ่านไป 40 msec

8. Bandwidth-Delay Product • เป็นตัวเลขที่นำมาใช้ในการพิจารณาประสิทธิภาพของเครือข่าย • คำนวณจากผลคูณของ bandwidth มีหน่วยเป็น bps กับระยะเวลาในการเดินทางของข้อมูล 1 รอบ (หน่วยเป็น sec) • จากตัวอย่าง bandwidth-delay product ทีค่า 40 Mb ซึ่งหมายความว่าผู้ส่งจะต้องส่งข้อมูลขนาด 40 ล้านบิต จึงจะทำให้การสื่อสารดำเนินไปที่ความเร็วสูงสุดตลอดเวลา นับจนกระทั่งข้อมูลตอบรับของข้อมูลชุดแรกเดินทางกลับมาถึงผู้ส่ง • ประสิทธิภาพการทำงานจะอยู่ในระดับที่ดีเมื่อหน้าต่างสื่อสาร (window) ของผู้รับมีขนาดเท่ากับค่าของ bandwidth-delay product

9. Network Performance • Response Time – เวลาที่ระบบใช้ในการตอบสนองไม่ได้รับข้อมูลนำเข้า • Throughput – ปริมาณงานที่คอมพิวเตอร์ทำได้ในช่วงเวลที่กำหนด

10. Response Time • การตอบสนองของผู้ใช้ (User response time) • การตอบสนองของระบบ (System response time) • เวลาที่ใช้ในการส่งข้อมูลผ่านเครือข่าย (Network transfer time - throughput)

11. Response Time Requirements

12. Bandwidth Requirements What happens when bandwidth is insufficient? How long does it take to become impatient? Is data communication ever “fast enough”?

13. Response time range • มากว่า 15 วินาที • การตอบสนองที่ใช้เวลานานมากกว่า 15 วินาทีแทบจะใช้ไม่ได้กับการสนทนาโต้ตอบกัน หรือแม้แต่การรอคำตอบจากการสอบถามต่อครั้ง ยิ่งถ้าเป็นคนเร่งรีบแล้วดูเหมือนว่าจะรับไม่ได้เลย ถ้ามีความล่าช้าในการตอบสนองมากถึงระดับนี้ ผู้ออกแบบระบบจะต้องออกแบบให้สามารถเปลี่ยนไปทำกิจการอื่นได้ในระหว่างรอการตอบสนองของกิจกรรมที่ผ่านมา • มากกว่า 4 วินาที • โดยทั่วไปแล้วการตอบสนองที่ใช้เวลามากกว่า 4 วินาทีดูเหมือนจะนานเกินไปสำหรับกิจกรรมกับเจ้าหน้าที่รับสายในการให้ข้อมูลเพื่อแก้ปัญหา เนื่องจากเจ้าหน้าที่จะไม่สามารถระลึกถึงข้อสนทนาสนทนาได้อย่างครบถ้วน ความล่าช้าในการตอบสนองระดับนี้นับว่าเป็นอุปสรรคอย่างยิ่งต่อการแก้ปัญหาและมักทำให้เกิดอาการหงุดหงิดในการให้ข้อมูล แต่ถ้าการสนทนาประเด็นหลักๆครบถ้วนแล้ว เวลาในช่วงเวลา 4-15 วินาทีนี้นับว่าพอรับได้

14. Response time range (cont.) • 2 -4 วินาที • การตอบสนองที่ใช้เวลานานกว่า 2 วินาทีถือว่าเป็นอุปสรรคต่อการสนทนากับเจ้าหน้าที่รับสายที่ต้องใช้สามาธิในการทำงานสูง การต้องรอคอยเป็นเวลา 2-4 วินาที่ดูเหมือนว่าจะนานเกินไปสำหรับผู้ใช้ที่ถูกหน่วงไว้แต่อย่ในอารมณ์ต้องการให้การสนทนาเสร็จสิ้นโดยเร็ว แต่ช่วงเวลาที่รอคอยนี้ก็สามารถเป็นที่ยอมรับได้ถ้าได้พูดประเด็นสำตัญบางประการไปบ้างแล้ว • น้อยกว่า 2 วินาที • เมื่อผู้ใช้ปลายทางต้องจดทำข้อมูลจากการตอบสนองโดยระบบหลายๆครั้ง ระยะเวลาในการตอบนองจะต้องเร็ว ยิ่งข้อมูลที่จะต้องจดจำมีมาก ก็ยิ่งต้องการเวลาตอบสนองน้อยกว่า 2 วินาที สำหรับกิจกรรมที่ต้องมีการวางแผนอย่างละเอียด การตอบสนองของระบบก็จะต้องถูกจำกัดไว้ที่ไม่เกิน 2 วินาที

15. Response time range (cont.) • ไม่ถึง 1 วินาที(Subsecond response time) • สำหรับงานที่ต้องใช้ความคิดมากบางประเภท โดยเฉพาะงานประเภท graphics นั้นต้องการเวลาที่ใช้ในการตอบสนองเร็วมากเพื่อดึงดูดความสนใจของผู้ใช้ไว้นานๆ • ไม่ถึง 0.1 วินาที • การตอบสนองของการกดคีย์บนแป้นพิมพ์และเห็นตัวอักษรแสดงบนจอภาพ หรือการใช้เมาส์คลิ๊กที่ object บนจอภาพต้องการการตอบสนองเกือบจะโดยทันที นั่นคือ น้อยกว่า 0.1 วินาที

16. System Tuning • การใช้ buffer ขนาดและ priority ของการประมวลผลอย่างเหมาะสม • การกำหนดระยะเวลารอคอย (timeout) ให้เหมาะสม • ใช้เทคนิคที่เรียกว่า “piggyback”

17. Basic Loop to improve network performance เมื่อเครือข่ายมีประสิทธิภาพการทำงานต่ำเกินไป ผู้บริหารระบบจำเป็นต้องแก้ไข สิ่งแรกที่จะต้องทำคือการวัดประสิทธิภาพระบบ ซึ่งมีวงรอบการปรับปรุงประสิทธิภาพดังนี้ • วัดประสิทธิภาพของพารามิเตอร์ต่างๆ • ทำความใจปัญหาที่เกิดขึ้น • เปลี่ยนแปลงค่าพารามิเตอร์ครั้งละ 1 ตัว วงรอบการทำงานนี้จะต้องกระทำซ้ำไปเรื่อยๆจนกว่าประสิทธิภาพของระบบจะอยู่ในเกณฑ์ที่พอใจหรือแน่ใจว่าระบบอยู่ในภาวะที่ดีที่สุดแล้ว

18. Simulation Result Response as a function of load.

19. System Design for Better Performance Rules: • ความเร็วของ CPU สำคัญมากกว่าความเร็วของเครือข่าย • ลดการนับแพ็กเกตช่วยลดเวลาการทำงานของซอฟต์แวร์ • ทำการสลับสายให้น้อยที่สุด • ทำสำเนาข้อมูลให้น้อยที่สุดMinimize copying. • คุณสามารถจ่ายเพื่อเพิ่มค่า bandwidth แต่ไม่สามารถจ่ายเพื่อลดความล่าช้า • การหลีกเลี่ยงสภาวะคับคั่งดีกว่าการแก้ไข • หลีกเลี่ยงการใช้ timeout

20. TCP Congestion Control (a) เครือข่ายความเร็วสูงส่งข้อมูลให้ผู้รับความจุต่ำ (b) เครือข่ายความเร็วต่ำส่งข้อมูลให้ผู้รับความจุสูง

21. System Design for Better Performance Context switches ทำงาน 4 ครั้งเพื่อจัดการกับแพ็กเก็ตหนึ่ง ด้วย user-space network manager.

22. Fast TPDU Processing The fast path from sender to receiver is shown with a heavy line. The processing steps on this path are shaded. ต้องมีการตรวจสอบว่า (1) ระบบมีสถานะการทำงานเป็น establishedหรือไม่ (2)ไม่มีฝ่ายใดต้องการยกเลิกการสื่อสาร (3) เป็นแพ็กเกต TPDU เต็มขนาด (4)ฝ่ายผู้รับยังคงมีพื้นที่สำหรับรับข้อมูล

23. ความต้องการโปรโตคอลความเร็วสูงความต้องการโปรโตคอลความเร็วสูง Computing speed • สายสื่อสารมีความเร็วสูงมาก • โปรแกรมประยุกต์ที่เป็น multimedia

24. Protocols for Gigabit Networks Time to transfer and acknowledge a 1-megabit file over a 4000-km line.

25. Gigabit Ethernet (GbE) • Transmitting Ethernet packets at a rate of a gigabit per second, defined by the IEEE 802.3z and 802.3ab standards. • Initial standard for Gigabit Ethernet (802.3z) standardized by the IEEE in June 1998 • 802.3z is commonly referred to as 1000Base-X(where -X refers to either -CX, -SX, -LX, or (non-standard) -ZX). • IEEE 802.3ab, ratified in 1999, defines Gigabit Ethernet transmission over unshielded twisted pair (UTP)category5, 5e, or 6 cabling and became known as 1000Base-T. • Fiber Gigabit Ethernet has recently been overtaken by 10 Gigabit Ethernet , ratified by the IEEE in 2002 and provided data rates 10 times greater than that of Gigabit Ethernet

26. Gigabit Ethernet packets The Gigabit Ethernet data link layerencapulates packets with a frame header (which includes MAC addresses and other header information) and a 32-bit Frame Check Sequence (FCS)before encoding to send them across the physical (fiber or copper) medium

27. Fiber Optic Gigabit Ethernet • 1000BASE-SX • operates over multi-mode fiber, using 850nanometer, near infrared (NIR) lightwavelength • usually work over significantly longer distances • highly popular for intra-building links in large office buildings • 1000BASE-LX • using a long wavelength laser, wavelength 1270 to 1355 nm • work over a distance of up to 2 km over 9 µm single-mode fiber • can also run over multi-mode fiber with a maximum segment length of 550 m • 1000BASE-CX • connections over short distances(maximum of 25 meters per segment) using copper cable (balanced shielded twisted pair) • succeeded by 1000BASE-T

28. Copper Cabling Gigabit Ethernet • 1000BASE-T • also known as IEEE 802.3ab, standard for Gigabit Ethernet over copper wiring • requires, at a minimum, Category 5 cable, but Category 5e ("Category 5 enhanced") and Category 6 cable is often recommended • requires all four pairs to be present • 1000BASE-TX • reduced the cost of the required electronics by only using two pair in each direction • required Category 6 cable

30. การวัดประสิทธิภาพของเครือข่ายการวัดประสิทธิภาพของเครือข่าย

31. Network Performance Measurement Why do it? • Capacity Planning-- Probably the #1 reason to do this. • Assist operations provide information for the NOC and engineering with data that can't be found from the NMS • Value-added service-- providing reports to customers • Usage-based billing -- Not going to talk about this much

32. Basic Measurements • Bandwidth utilization-- particularly important for customers -- A common cause of performance problems • Packets per second -- this is less important now, but more on this issue • Round Trip Time (RTT) -- It's a good measurement for long-term trend analysis • RTT variance -- more on this later • Backbone packet loss • Reachability -- Why is packet loss occurring? (examining ICMP responses) • Circuit Performance-- How are our carriers doing? • Bandwidth Utilization and Packets Per second --- MIB-II variables are listed (except one)

33. Whythese measurements? • Packet Counters • are a good indicator of CPU utilization and does not require using enterprise mibs. • RTT • can be an indicator of standing queue and congestion, not just distance • Backbone Packet Loss • provides critical view of performance-- the end user will feel it. Correlation can lead to the reasons for packet loss. The Ideal end result will be the ability to predict this before it happens and act to prevent it. • Reachability • polling all devices in less than 60 seconds(for 10,000 devices) is a design criterion • Circuit performance • Track Circuit errors-- Degrading Circuits can be caught before they go down hard

34. Parameters Measured • Parameters measured are: • Bandwidth – Data transferred / time • Delay - Time taken for data to transfer (App level) • Packet Loss – Affects Throughput and Apps. • Preferred parameters • High Bandwidth • Small Delay • Low Packet loss

35. Tools • Multi Router Traffic Grapher. • Measures… • load on network links (Edge-Routers). • Network Traffic. • System Load, Login Sessions, Modem availability • Output…. • HTML, • LIVE presentation. • Graphical Images.

36. National Laboratory for Applied Network Research(NLANR) Tools • Autobuf / FTP • Autotuning FTP client and server. • Iperf • Iperf is a TCP and UDP bandwidth testing tool, similar in function to the traditional ttcp tool but nicer. • Multicast Beacon • Beacon is a multicast diagnostic tool, showing packet loss, delay, jitter, out-of-order packets, and duplicate packets for a given multicast group. • Netlog • Netlog is a C library that can be linked into an existing network application to provide instrumentation of network performance.

37. NLANR Tools • Network Tools from CAIDA • A family of modules intended for pipeline use • Squid • Squid is a high-performance proxy caching server for web clients, supporting FTP, gopher, and HTTP data objects. Unlike traditional caching software, Squid handles all requests in a single, non-blocking, I/O-driven process. • Tuning Network Performance from NCNE • Tuning your high-performance connection • Viznet • Java application to visualize network bandwidth performance over time.

38. ข้อควรระวังเมื่อทำการวัดค่าต่างๆข้อควรระวังเมื่อทำการวัดค่าต่างๆ • ต้องแน่ใจว่าปริมาณการวัดจะต้องมากพอเช่นการวัดระยะเวลาในการส่งแพ็กเกต ควรกระทำเป็นจำนวนหลายแสนหรือหลายล้านครั้ง แล้วจึงคำนวณหาค่าตัวแทนกลุ่มตัวอย่างด้วยวิธีการทางสถิติ • ต้องแน่ใจว่าตัวอย่างที่ใช้ป็นตัวแทนที่แท้จริงเช่น ควรทำในวันและเวลาที่ต่างๆกันเพื่อจะได้สะท้อนให้เห็นสิ่งที่เกิดขึ้นจริงของระบบ • ต้องระวังเป็นพิเศษเมื่อใช้การจับเวลาในเกณฑ์หยาบอาจใช่เทคนิคการทำงานวนซ้ำเป็นจำนวนหนึ่งล้านครั้งแล้วหาค่าเฉลี่ยจากการจับเวลาตั้งแต่ต้นจนจบ • ต้องแน่ใจว่าไม่มีเหตุการณ์อื่นเกิดขึ้นในระหว่างการทดสอบเช่นการเร่งทำงานส่งของนักศึกษาจำนวนมาก หรือ ในขณะที่มีการประชุมแบบ Video conference

39. ข้อควรระวังเมื่อทำการวัดค่าต่างๆ(ต่อ)ข้อควรระวังเมื่อทำการวัดค่าต่างๆ(ต่อ) • การใช้หน่วยความจำ cache ทำให้ผลการวัดคลาดเคลื่อนการวัดค่าการเคลื่อนย้ายแฟ้มข้อมูลควรจะเลือกใช้แฟ้มข้อมูลที่มีขนาดใหญ่มาก จากนั้นทำซ้ำหลายๆครั้งเพื่อนำค่าเฉลี่ยไปใช้ ควรใช้แฟ้มข้อมูลที่มีขนาดอย่างน้อยสองเท่าของขนาดหน่วยความจำ cache • ต้องมีความเข้าใจอย่างชัดเจนในสิ่งที่กำลังทำการวัดการวัดระยะเวลาที่ใช้ในการอ่านข้อมูลจากเครื่องอื่นบนระบบเครือข่ายนั้น ค่าที่เกี่ยวข้องจะขึ้นอยู่กับชนิดของเครือข่ายที่ใช้ ระบบปฏิบัติการ อุปกรณ์เครือข่ายการสื่อสาร โปรแกรมที่ใช้งานและอื่นๆ • ต้องระวังการคาดหวังจากผลลัพธ์การจำลองผลที่ใช้ข้อมูลน้อยเกินไปอาจทำให้เกิดความรู้สึกว่าผลที่จะเกิดจากการ prediction จะเป็นตาม trend ที่เป็นผลจากการทดลอง

40. Next Lecture เครือข่ายอินเตอร์เน็ตและการประยุกต์ใช้งาน