Giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng

Nội dung tài liệu: Giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẶNG HÙNG VĨ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP TÀI NGUYÊN CHO HỆ PHÂN TÁN TRONG MÁY ẢO DỰA TRÊN KỸ THUẬT MÃ MẠNG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 62.48.01.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG, 2020
2. Công trình được hoàn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: 1) PGS. TS. Lê Văn Sơn 2) PGS. TSKH. Nguyễn Xuân Huy Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Đà Nẵng họp tại: Đại học Đà Nẵng Vào hồi giờ ngày tháng năm . Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Các nghiên cứu về cung cấp và chia sẻ tài nguyên nhằm đảm bảo hoạt động thông xuốt cho các tiến trình diễn ra bên trong máy tính. Hệ phân tán sử dụng các giải pháp và thuật toán khắc phục các hạn chế của hệ tập trung. Để giải quyết nhược điểm trong truyền thông, hệ phân tán thay thế phương thức truyền unicast bằng phương thức truyền multicast. Luận án tập trung nghiên cứu, xây dựng bộ cung cấp tài nguyên truyền thông để trao đổi thông điệp giữa các máy chủ. Giải pháp nghiên cứu chính của Luận án về lưu lượng thông tin và định tuyến trong mạng là mã mạng (Network Coding) nhằm tối ưu truyền multicast. Nghiên cứu của Luận án nhằm mục đích tối ưu hóa truyền thông trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng đảm bảo cung cấp tài nguyên cho các ứng dụng hệ phân tán. Trên cơ sở các nghiên cứu và triển khai về cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán và máy ảo vẫn còn nhiều yếu tố kỹ thuật để xây dựng và phát triển; giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng là vấn đề cần thiết nghiên cứu trong giai đoạn hiện nay. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu cụ thể: − Nghiên cứu, đề xuất giải pháp, thuật toán điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán. − Nghiên cứu, đề xuất giải pháp, thuật toán tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán triển khai trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng. 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu, xây dựng giải pháp đảm bảo cung cấp tài nguyên dùng chung cho người sử dụng trong hệ phân tán và tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán trong hệ thống ảo hóa dựa trên kỹ thuật mã mạng. 3. Phương pháp nghiên cứu Luận án tập trung tiếp cận các phương pháp: − Phương pháp lý thuyết: tìm kiếm, thu thập tài liệu, kết quả nghiên cứu các công trình đã được công bố, các tạp chí, hội nghị, hội thảo trong và ngoài nước.
4. 2 − Phương pháp thực nghiệm khoa học: sử dụng các công cụ mô phỏng để thực nghiệm các giải pháp, thuật toán. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Những đóng góp chính của Luận án về mặt khoa học và thực tiễn như sau: - Đề xuất song song hóa cải tiến thuật toán Lamport và thuật toán 4PCoDT đảm bảo tính gắn bó trong hệ phân tán. - Đề xuất hai thuật toán thêm liên kết và xóa liên kết nhằm rút gọn cây multicast và song song hóa thuật toán Ford Fulkerson để tìm luồng cực đại. Giải pháp truyền thông multicast kết hợp với mã mạng triển khai trong hệ thống máy chủ ảo nhằm phòng tránh tắc nghẽn, tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán. 5. Cấu trúc Luận án Bố cục của Luận án được chia thành ba chương: Chương 1 trình bày tổng quan về cung cấp tài nguyên, các nguyên lý và điều khiển trong cung cấp tài nguyên. Chương 2 trình bày nghiên cứu giải pháp cung cấp tài nguyên trong hệ phân tán. Chương 3 trình bày giải pháp tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông trong hệ phân tán dựa trên kỹ thuật mã mạng. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CUNG CẤP TÀI NGUYÊN 1.1. Điều khiển việc cung cấp tài nguyên 1.1.1. Các khái niệm và vấn đề cơ sở của tài nguyên Tài nguyên máy tính. Tài nguyên truyền thông. Tài nguyên Điện toán Đám mây. Tài nguyên được khái quát hóa như sau: Tài nguyên là các nguồn (phần cứng, phần mềm, dữ liệu, băng thông, thiết bị vào/ra, dịch vụ, ) cung cấp cho máy tính hoạt động và cung cấp hoạt động ứng dụng cho người dùng. Khái niệm về cung cấp tài nguyên được phát biểu như sau: Cung cấp tài nguyên đóng vai trò điều phối, điều khiển tài nguyên sẵn có nhằm tối ưu cho nhiều mục đích khác nhau thông qua các giải thuật, thuật toán và chiến lược cung cấp. Hiệu năng của hệ thống cung cấp là tài nguyên phải được xử lý một cách tối ưu và tránh trường hợp tương tranh, bế tắc.
5. 3 Người dùng đăng ký tài nguyên dùng chung trực tuyến SS22 Internet/Intranet S SS33 S11 = = = === S SSnn Sii Hình 1. Mô hình tổng quan kết nối trong hệ phân tán 1.1.2. Nguyên lý và giải pháp cung cấp tài nguyên Trước khi triển khai ứng dụng nhất thiết phải mô tả chi tiết tài nguyên trong pha thiết kế để xây dựng bộ điều khiển cung cấp tối ưu tài nguyên. Hình 1 mô tả tập các máy chủ kết nối qua môi trường truyền thông. 1.1.3. Bộ cung cấp tài nguyên Bộ cung cấp tài nguyên phân tán RADS hoạt động dựa trên các thuật toán cung cấp tất cả tài nguyên sẵn có. Hình 2. Kiến trúc truyền thống và kiến trúc ảo hóa Dựa vào hệ thống ảo hóa theo Hình 2.b, các đám mây cung cấp dịch vụ cho người sử dụng thông qua các máy ảo. Tóm lại, bộ điều khiển cung cấp tài nguyên trong hệ thống máy chủ ảo đảm bảo tối ưu quá trình cung cấp tài nguyên cho các ứng dụng nhằm tăng hiệu năng của hệ thống đám mây. 1.2. Các nghiên cứu liên quan 1.2.1. Các nghiên cứu liên quan đến điều khiển cung cấp tài nguyên trong hệ phân tán 1.2.1.1. Các thuật toán truyền thông trong hệ phân tán Nhiều phương thức truyền multicast đã được phát triển và triển khai, nhưng tất cả đều có thể được phân loại thuộc về các lớp sau:
6. 4 − Thuật toán truyền thông dựa vào lịch sử − Thuật toán dựa trên quyền ưu tiên − Thuật toán di chuyển tuần tự − Thuật toán di chuyển tuần tự đảm bảo trật tự toàn phần 1.2.1.2. Vấn đề kỹ thuật mã mạng điều khiển cung cấp tài nguyên truyền thông Hướng nghiên cứu của Luận án đưa ra mô hình tối ưu hóa và đề xuất các thuật toán thích nghi, điều khiển tỷ lệ phân tán cho mã mạng dựa trên các dòng multicast. Bên cạnh đó, giải pháp tối ưu truyền thông multicast với mã mạng là thông tin tại tập đích tránh trùng lặp và đạt thông lượng tối ưu. Giải pháp được thực hiện trên cây multicast là xây dựng lại tô pô kết hợp kỹ thuật mã mạng để thông lượng đạt cực đại tại tập đích. Các thuật toán trong nghiên cứu sẽ được thực nghiệm, đánh giá và có thể được mở rộng để điều khiển truyền thông điệp trong nhiều ứng dụng khác nhau. 1.2.1.3. Vấn đề kỹ thuật trong nhãn thời gian lô gíc Trật tự từng phần ảnh hưởng đến hoạt động tổng quát trong hệ phân tán, hai vấn đề cơ bản bị tác động đó là: 1. Giá trị đồng hồ lô gic trên các máy chủ không nhất quán; 2. Tiến trình yêu cầu vào miền găng dựa vào tương hỗ nhờ dấu theo Hình 3. Tiến trình yêu cầu vào miền găng phải chờ đợi cho đến khi nhận đủ thông điệp có thể gây ảnh hưởng đến các máy chủ khác hoặc sai lệch khi tiến hành cập nhật dữ liệu. Để giải quyết bài toán trật tự từng phần, Luận án đã song song hóa thuật toán Lamport để xây dựng trật tự tổng quát chặt chẽ trên các máy chủ. Hình 3. Loại trừ tương hỗ nhờ dấu 1.2.1.4. Vấn đề kỹ thuật cung cấp tài nguyên dùng chung trong hệ phân tán Thuật toán 3PC khác với thuật toán 2PC là có thêm pha tiền ủy thác trước khi ủy thác. Nhược điểm của 3PC là giao dịch được ủy thác nhưng không khóa (non-blocking), bên cạnh đó quá trình trao đổi thông điệp quá
7. 5 nhiều để khôi phục độc lập dữ liệu dẫn đến chi phí tài nguyên truyền thông cao. Theo tác giả Kumar trình bày so sánh giữa thuật toán 2PC và 3PC thể hiện qua Bảng 1. Bảng 1. So sánh 2PC và 3PC 2 pha 3 pha Loại giao dịch 2 pha 2 pha mở rộng Pha bầu chọn x x Pha tiền ủy thác - x Pha ủy thác x x Khóa giao dịch thấp cao Trao đổi thông điệp 4(n – 1) 5(n – 1) Chi phí truyền thông thấp cao Ghi log 2n 2n Độ phức tạp O(n2) O(n3) Hiệu năng thấp cao Áp dụng cho giao dịch phân tán Khó khăn Dễ dàng Giải pháp đảm bảo gắn bó là một trong những giải pháp cần thiết để nghiên cứu và xây dựng trong hệ phân tán thông qua cơ chế truyền thông điệp, giải pháp đảm bảo gắn bó mạnh được trình bày trong Mục 2.2. RAS Phụ thuộc Thời gian Chính Giao thức Ứng Máy ảo Tiện ích TN phần Đấu giá SLA thực thi sách Gossip dụng cứng Hệ thống Tải Thông tin Thời gian CPU Giá cả thị Thời gian Tổ chức Bảo mật lớn ngang hàng đáp ứng trường đáp ứng Thời gian Xử lý Chi phí I/O Tài nguyên Thông Lợi ích thực ngang hàng lượng Tốc độ Lưu trữ Dữ liệu chuyên sâu Kiến thức Thống kê Chất lượng Truyền CSDL Loại chuyên môn ứng dụng dịch vụ thông chia sẻ Hình 4. Các chiến lược cung cấp tài nguyên trong Điện toán Đám mây Tóm lại, các cơ chế kỹ thuật cung cấp phân tán nhìn chung đáp ứng cho các ứng dụng triển khai của hệ phân tán. Tuy nhiên, hạn chế của cơ chế truyền này là vấn đề dư thừa trong truyền thông nếu nhiều máy chủ cùng cung cấp thông tin đến các máy chủ đích hoặc máy khách. Để khắc phục
8. 6 nhược điểm trên, thách thức trong nghiên cứu là đưa ra giải pháp loại bỏ các gói tin dư thừa nếu máy chủ hoặc máy khách đã nhận được, đó là giải pháp kỹ thuật mã mạng. 1.2.2. Các nghiên cứu liên quan đến điều khiển cung cấp tài nguyên trong hệ thống ảo hóa Các chiến lược cung cấp tài nguyên đề xuất trong mô hình Điện toán Đám mây theo Hình 4. 1.2.2.1. Ảo hóa mạng 1.2.2.2. Mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) và ảo hóa chức năng mạng (NVF) 1.2.2.3. Hệ phân tán trong máy ảo Hệ phân tán triển khai trên các VM tập trung tầng 3 của hệ thống ảo hóa theo Hình 5. Mỗi VM có thể triển khai một hoặc nhiều hệ phân tán theo Hình 5.b. Hình 5. Hệ phân tán triển khai trên hệ thống máy ảo Như vậy, so với hệ phân tán truyền thống thành phần Tập hợp phần cứng không cần xét đến, thay vào đó là Hệ thống ảo hóa. Hệ phân tán trong môi trường này là hệ phân tán ảo. 1.3. Mô hình và giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên trong hệ thống máy chủ ảo 1.3.1. Giới thiệu bài toán 1.3.2. Mô hình tổng quát Mô hình tổng quát được đưa ra trong Hình 6 mô tả các bộ điều khiển cung cấp tài nguyên bao gồm 5 phần cơ bản.
9. 7 Hình 6. Mô hình tổng quát cung cấp tài nguyên trong hệ thống máy ảo 1.3.2. Giải pháp kỹ thuật Quá trình xử lý diễn ra bên trong hệ là tập các máy chủ ảo Si{i=1 n} thông qua hệ thống truyền thông phân tán như Hình 7. Hệ thống mạng ở Hình 8 có thể mô tả dưới dạng đồ thị G=(U,V) theo Hình 7. VMi VMj Virtual Virtual NetworkA NetworkB VMk VM2 Virtual Router Virtual Virtual VM VMn Router 1 Router Hình 7. Mạng truyền thông phân tán ảo Khái niệm mã mạng được trình bày như sau: Trong một mạng chuyển mạch gói truyền thống, định nghĩa luồng dữ liệu trong là các “miếng” rời rạc từ nguồn đến đích. Tại đích hoặc các nút trung gian, các thông điệp gửi đi được chia thành các gói, mỗi trong số đó có chứa một số các thông điệp dữ liệu còn nguyên vẹn hoặc phân mảnh. Tất cả các gói dữ liệu không nhất thiết truyền theo định tuyến tương tự; nhưng tất cả chúng đến cùng một đích, nơi có nhiệm vụ ráp chúng thành thông điệp ban đầu. Hướng nghiên cứu của Luận án về giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng. Các giải pháp trên nhằm đảm bảo tính gắn bó trong hệ phân tán ảo đối với người sử dụng và tránh trùng lặp thông tin, đạt thông lượng cực đại tại tập đích.
10. 8 Hình 8. Hệ thống mạng biểu diễn dưới dạng đồ thị Luận án trình bày giải pháp cơ bản của kỹ thuật mã mạng. Xét đến trường hợp mô hình mạng theo cách truyền multicast theo Hình 9.b, gói tin tại nút đích có tỷ lệ nhận cao hơn so với cách truyền unicast. Xét mạng mô tả trong Hình 10 là cách truyền multicast kết hợp với mã mạng, phép toán XOR được thực hiện tại các nút trung gian và tập đích để loại bỏ các gói tin trùng lặp. S1 S1 Message Message Message Message 1 2 1 2 S2 Message S3 S2 Message Message S3 1 1 2 S4 Message S4 Message Message 1 2 2 Message Message Message 1 1 hoặc 2 1 hoặc 2 S S S S 5 (a) 6 5 (b) 6 Hình 9. Cách thức truyền unicast (a) và multicast (b) S1 Message Message 1 2 S2 Message Message S3 1 2 Message S4 Message 1 2 Message Message 1Å2 1Å2 S S 5 6 Hình 10. Cách thức truyền multicast kết hợp với mã mạng Xác suất các trường hợp còn lại nằm trong 9 sự kiện quan sát được các xác suất liên kết mã thăm dò có thể quan sát được theo Bảng 2.
11. 9 Bảng 2. Mã thăm dò có thể quan sát được TT Tập nút đích Tập nút trung gian S5 S6 S12 S13 S24 S25 S34 S36 S45 S46 1 M1 - 1 0 1 1 0 0 1 0 2 M2 - 0 1 0 0 1 0 1 0 3 M1Å2 - 1 1 1 1 1 0 1 0 4 - M1 1 0 1 0 0 0 0 1 5 - M2 0 1 0 0 1 1 0 1 6 - M1Å2 1 1 1 0 1 1 0 1 7 M1 M1 1 0 1 1 0 0 1 1 8 M2 M2 0 1 0 0 1 1 1 1 9 M1Å2 M1Å2 1 1 1 1 1 1 1 1 Hướng nghiên cứu của Luận án về kỹ thuật mã mạng tập trung vào các giải pháp: - Giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng là một phần trong bộ điều khiển cung cấp tài nguyên mã mạng trong phần 3 của mô hình tổng quát nhằm phân chia gói tin đảm bảo tỷ lệ truyền từ nguồn đến tập đích. - Giải pháp tối ưu truyền thông phân tán dựa trên kỹ thuật mã mạng cho phép tối ưu băng thông, tránh trùng lặp thông tin đồng thời đạt thông lượng cực đại tại tập đích. Tiểu kết Chương 1 Luận án đã đưa ra mô hình tổng quát cho bài toán cung cấp tài nguyên trong hệ thống ảo hóa. Luận án đã đưa ra ví dụ hệ thống giám sát trực tuyến các phương tiện cơ giới đường bộ trình bày trong công bố số (1) và chương trình bãi đỗ xe trình bày trong công bố số (5). Dựa vào mô hình tổng quát trình bày trong công bố số (6), Luận án nêu lên một số giải pháp cơ bản nhằm cho phép tính toán, xử lý dữ liệu dùng chung trên đám mây. Nhóm giải pháp thứ nhất bao gồm cung cấp tài nguyên dùng chung cho hệ phân tán và cung cấp tài nguyên truyền thông phân tán. Nhóm giải pháp thứ nhất tập trung giải quyết vấn đề điều khiển cung cấp tài nguyên dùng chung trong hệ phân tán. Nhóm giải pháp thứ hai bao gồm điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng và tối ưu truyền thông multicast dựa trên kỹ thuật mã mạng. Nhóm giải pháp thứ hai nhằm giải quyết bài toán tối ưu truyền thông cho hệ phân tán trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng.
12. 10 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP TÀI NGUYÊN TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ PHÂN TÁN 2.1. Giải pháp song song hóa thuật toán Lamport trong loại trừ tương hỗ phân tán 2.1.1. Song song hóa thuật toán Lamport Dựa vào truyền thông nhóm, song song hóa thuật toán Lamport theo cách giải quyết sau: Một trạm i khi phát sinh sự kiện gửi thông điệp yêu cầu được cung cấp giá trị đồng hồ đến tất cả các trạm còn lại theo thủ tục: GETLAMPORT SH,,,act sk ( i Si ) tất cả các trạm sau khi nhận được thông điệp trên kiểm tra, so sánh với giá trị hiện tại H của trạm mình HH=+1 và phản hồi thông điệp Slocal ( SSi local ) chấp nhận giá trị với thủ tục: ACCEPTLAMPORTS, S,,, H act sk, boolean ( local i Si ) Thông điệp gửi đồng thời đến các trạm theo thủ tục để xác nhận giá trị đồng hồ đã được gắn cho sự kiện ski: UPDATELAMPOR T SH,,,act sk ( i Si ) Kết quả song song hóa thuật toán Lamport thể hiện qua Hình 11. Hình 11. Trật tự tổng quát các thông điệp theo thuật toán Lamport sau khi cải tiến so với Hình 3 Bộ cung cấp tài nguyên truyền thông phân tán trên cơ sở truyền thông nhóm theo Hình 12. Bên phát Bên nhận Bộ cung cấp tài Bộ cung cấp tài nguyên truyền thông nguyên truyền thông Hệ thống Hàng đợi viễn thông Hàng đợi Yêu cầu/ Yêu cầu/ ServerA đáp ứng đáp ứng ServerB Hình 12. Cung cấp tài nguyên phân tán cho cặp yêu cầu/đáp ứng
13. 11 2.1.2. Áp dụng song song hóa thuật toán Lamport để giải quyết loại trừ tương hỗ phân tán Nghiên cứu của Luận án đề ra giải pháp giải quyết trật tự tổng quát chặt chẽ trong hệ phân tán dựa trên song song hóa thuật toán Lamport trong loại trừ tương hỗ phân tán. 2.1.3. Hiệu năng thực thi song song hóa thuật toán Lamport Song song hóa thuật toán Lamport cho phép thiết lập một trật tự tổng quát chặt chẽ và ghi dấu các sự kiện diễn ra trên các máy chủ. Thuật toán cải tiến gán dấu cho sự kiện yêu cầu 3(N - 1) thông điệp. Khi áp dụng song song hóa thuật toán Lamport trong thuật toán loại trừ tương hỗ, tiến trình đi vào miền găng yêu cầu (N - 1) thông điệp. Do đó, giải pháp cải tiến của Luận án đạt hiệu năng cao trong cải tiến thuật toán loại trừ tương hỗ phân tán. 2.2. Đề xuất thuật toán 4PCoDT điều khiển cung cấp tài nguyên trong hệ phân tán triển khai trong máy ảo Hệ phân tán thực hiện đảm bảo gắn bó thực hiện trên vòng tròn ảo thể hiện qua Hình 13. Các trường điều khiển được tách thành 8 trường, nội dung các trường mô tả trong Bảng 3. Hình 13. Thông điệp di chuyển theo vòng tròn ảo Bảng 3. Nội dung các trường điều khiển trong thông điệp Trường Ý nghĩa F1 Thông tin Server bắt đầu vòng tròn ảo Fn1 = 1 4 (n là số lượng máy chủ). Giá trị Jeton hiển thị cập nhật thông tin các Server trong hệ thống, độ dài của F2 giá trị chính là n. Mỗi máy chủ sẽ chiếm giữ giá trị tại vị trí của trạm mình theo quy định. F2[i]=0→4, i=1 n F3 Giá trị đồng hồ logic được gán và thiết lập chế độ ưu tiên thông điệp.
14. 12 Giá trị đồng hồ logic hiện tại được gán. Nếu F3=F4 thì đây là thông điệp bắt F4 đầu phát yêu cầu tài nguyên, ngược lại đó là thông điệp di chuyển trong hệ thống. F5 Tên máy chủ được cập nhật khi di chuyển trong hệ thống. Nội dung tương ứng với pha giao dịch trong hệ thống, giao dịch thực hiện 4 F6 pha cơ bản để đảm bảo tính nhất quán dữ liệu. Các trạng thái hành động tương ứng với pha giao dịch trong hệ thống F7 F7=1→4, kết thúc của 1 vòng di chuyển, F7 tăng lên một đơn vị. Giá trị vòng thông tin đăng ký, quá trình diễn ra đăng ký hoàn tất của một F8 giao dịch giá trị sẽ tăng lên một. Cấu trúc của thông điệp thể hiện qua Hình 14. Các biến cờ Các trường điều khiển hệ thống Trường nội dung @$ F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 $$ Content @$ Hình 14. Cấu trúc thông điệp của hệ phân tán Để đảm bảo tính gắn bó, thuật toán xử lý các pha giao dịch thể hiện ở Hình 15. Bắt đầu Giao dịch Hàng đợi 1 thông điệp Kiểm tra tính hợp lệ thông điệp đến S Đ Ghi lại và tách giá trị thông điệp Lấy giá trị pha giao dịch và hành động các pha Pha giao dịch = 1 & S Hành động = SEND Đ Pha giao dịch = 2 & S Gắn giá trị đồng hồ logic Hành động = TEMP Pha giao dịch = 3 & Khóa trường dữ liệu Đ S Hành động = SYNC Tạo bảng tạm Sắp xếp trật tự thông điệp Cập nhật bảng tạm Đ Pha giao dịch = 4 & Hành động = UPD Sắp xếp trật tự thông điệp Lấy các giá trị liên quan đến trong hàng đợi 2 giao dịch từ các máy chủ S Đ Phát lệnh thực hiện cập Cập nhật bảng tạm nhật theo giá trị đồng hồ Kiểm tra đồng bộ các Đ sự kiện trên đa Server Thực hiện các tiến trình cập nhật CSDL Cập nhật các giá trị trường điều khiển S Chuyển thông điệp di chuyển trong vòng tròn Hủy giao Kết thúc dịch Giao dịch Hình 15. Thuật toán 4PCoDT đảm bảo gắn bó
15. 13 2.3. Triển khai giải pháp gắn bó trong hệ phân tán 2.3.1. Các hoạt động hệ phân tán Để thực hiện mô phỏng các bước thực hiện theo quy trình: − Bước 1: khai báo số nút ảo thực hiện việc tiếp nhận và xử lý thông điệp. − Bước 2: khai báo đường dẫn đến tập tin BRITE đã được xuất ra từ chương trình BRITE − Bước 3: thực hiện chạy chương trình mô phỏng − Bước 4: nhận kết quả thực hiện qua 2 dạng: đồ họa theo Hình 14, các hoạt động và sự kiện theo Hình 15. Hình 16. Giao diện kết quả thực thi tô pô trên công cụ mô phỏng DSSim Hình 17. Các hoạt động và sự kiện diễn ra bên trong chương trình
16. 14 Tên các sự kiện thể hiện qua Bảng 4 sau: Bảng 4. Các sự kiện đối với nút TT Tên sự kiện Ý nghĩa 1 UNKNOWN Không xác định sự kiện 2 ALL Tất cả sự kiện 3 MSG_NODE_SEND / MSG_NODE_RECV Nút gửi/ nhận thông điệp 4 MSG_ROUTE_SEND / MSG_ROUTE_RECV Bộ định tuyến gửi/nhận thông điệp 5 ROUTE_BEGIN / ROUTE_END Bộ định tuyến bắt đầu/kết thúc 6 NODE_BEGIN / NODE_END Nút bắt đầu/kết thúc 7 NODE_CREATION / NODE_REMOVAL Tạo/ Xóa nút 8 NODE_TIMER Bộ đinh thời nút 9 MSG_DROPPED Hủy thông điệp 10 MONITORING_LLINK_CREATION Giám sát tạo liên kết 11 MONITORING_LLINK_REMOVAL Giám sát xóa liên kết 12 MONITORING_NODE_FUNCTION_CREATION Giám sát tạo chức năng nút 13 MONITORING_NODE_FUNCTION_REMOVAL Giám sát xóa chức năng nút 14 MONITORING_PROP_CHANGED Giám sát thay đổi Cấu trúc của một thông điệp di chuyển qua hệ thống bao gồm các trường mô tả theo Hình 16. 2.3.2. Triển khai thuật toán 4PCoDT trong hệ phân tán Luận án trình bày chương trình mô phỏng thuật toán 4PCoDT của hệ phân tán dựa trên bài toán bãi đỗ xe. Chương trình xây dựng trên ngôn ngữ Java, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL thực thi trên hệ điều hành Windows Server 2008 nằm trong hệ thống ảo hóa VMware vSphere. F1 F2 F3 F4 F5 F6 Liên kết Nút vật lý Nút lô gich Dữ liệu di chuyển giữa hai Server Giá trị đồng hồ logic hiện tại được gán Tên sự kiện Hình 18. Cấu trúc của một thông điệp trong hệ thống mô phỏng DSSim Hình 19. Trạng thái các bảng dữ liệu hiện tại trên các máy chủ
17. 15 Hình 19.a thể hiện trạng thái hiện tại các bảng dữ liệu trên các máy chủ, các trường dữ liệu thể hiện trạng thái nhất quán. Chương trình từ máy trạm truy cập đến máy chủ bất kỳ trong hệ thống để đăng ký vị trí trong bãi đỗ thể hiện Hình 20.a. Sau khi đăng ký hoàn tất, thông báo gửi về báo cho máy trạm biết quá trình thực hiện đã thành công. Hình 20. Chương trình thể hiện thuật toán 4PCoDT 2.3.3. Đánh giá và nhận xét mô phỏng Qua bốn pha thực hiện trong vòng tròn ảo, kết quả các tiến trình rơi vào một trong hai trường hợp: được và không được cung cấp tài nguyên dùng chung. Đối với các tiến trình không được cung cấp tài nguyên dùng chung, các pha giao dịch tiến hành hủy bỏ giao dịch và thông báo cho người sử dụng. Tiểu kết Chương 2 Chương 2 đã trình bày các vấn đề giải pháp cung cấp tài nguyên truyền thông trong hệ phân tán và thuật toán đảm bảo tính gắn bó trong hệ phân tán ảo. Song song hóa thuật toán Lamport trong công trình công bố số (2) nhằm gắn dấu và thiết lập trật tự tổng quát chặt chẽ các tiến trình hoạt động trong hệ phân tán. Áp dụng song song hóa thuật toán Lamport trong loại trừ tương hỗ để đảm bảo tiến trình duy nhất vào miền găng và đạt được hiệu năng cao của hệ phân tán. Thuật toán 4PCoDT trong công trình công bố số (4) đảm bảo tính gắn bó tập trung vào việc xây dựng thông điệp, cơ chế điều khiển, giám sát và định tuyến từ nguồn đến đích. Nhược điểm trong cung cấp tài nguyên truyền thông trong hệ phân tán dựa trên cơ chế truyền multicast là
18. 16 thông tin bị trùng lặp tại tập đích dẫn đến lãng phí tài nguyên truyền thông. Có nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết vấn đề vừa nêu, xong Luận án chỉ tập trung vào giải pháp kỹ thuật mã mạng. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP KỸ THUẬT MÃ MẠNG TỐI ƯU ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP TÀI NGUYÊN TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ PHÂN TÁN 3.1. Giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng 3.1.1. Các ràng buộc trong giải pháp cơ bản của kỹ thuật mã mạng Các ràng buộc thể hiện qua Công thức (1) như sau: tli nÕu k = n i id id i dtk,, l− dt l k = − tl nÕu k = d (1) l:( k , l ) U l :( k , l ) U 0 ng­îc l¹i id trong đó mỗi liên kết (k, l): dtkl, là dòng thông tin đối với đích d của i phiên i và dvkl, là dòng vật lý của phiên i với ràng buộc thể hiện qua Công thức (2) như sau: id i dtk,, l dv k l,  d D i (2) Bất đẳng thức (2) phản ánh điều kiện mã mạng liên quan tỷ lệ vật lý và thông tin theo Công thức (3): i id dvk,, l= max dt k l , d D i (3) d  Véc tơ tỷ lệ f đáp ứng các các ràng buộc Công thức (1) và (2) khi và chỉ khi tồn tại mã mạng thiết lập một kết nối multicast ở mức tùy ý gần bằng tli từ nguồn Si tới tập đích Di và đưa vào các gói với tỷ lệ tùy ý gần bằng dtk,l trên mỗi liên kết (k,l). 3.1.2. Xác định các tỷ lệ và Tối ưu hóa điều khiển tỷ lệ với đồ thị con Hình 21 thể hiện cây muticast được triển khai từ các đồ thị con được mã. S1 S1 Message 1 Message 2 S2 S3 Message 1 Message 2 S S Message 1 4 4 Message 2 Message 1 Message 2 S5 S6 S5 S6 Hình 21. Cây multicast
19. 17 i Mỗi cây Cxi, x X chứa tập Vx V của các liên kết, trong đó xác định i |V| |Xi| ma trận multicast MT có phần tử thứ (v, x) được cho bởi công thức (4): i 1 nÕu vV x MTvx = (4) 0 ng­îc l¹i Trọng số ràng buộc liên kết ở Công thức (3) trở thành Công thức (5): i i i (5) dvv=max x MT vx tl x ts v ,  v V ii i Chọn tỷ lệ nguồn tl x để giải quyết bài toán tổng quát theo Công thức (6): i max Ti tl (6) tlii, dv  ( ) xv i i i i Áp dụng cho MTvx tl x dv v,,  x X i  i I i dvvv ts,  v V i x i i ll z tn z−= tn z 0 (7) i( )  v, x ( ) v, xi ( z) ( ) vv Đẳng thức (7) là trạng thái cân bằng cho phép tối ưu véc tơ chia lưu lượng. 3.2. Giải pháp tối ưu truyền thông multicast với mã mạng 3.2.1. Các yêu cầu về thông lượng và xây dựng tô pô mạng Thông lượng cực đại ký hiệu là thl(U). Gói ký hiệu là g(U) và bằng với thông lượng cực đại mà không mã. Độ bền ký hiệu là db(U), kết nối được ký hiệu là kn(U). Đối với truyền unicast trong một mạng U, các tham số cân bằng thể hiện qua Công thức (8): g(U) = thl(U) = db(U) = kn(U) (8) 3.2.2. Các kỹ thuật xử lý dòng thông tin Hai thuật toán xóa liên kết và thêm liên kết đề xuất bao gồm hai pha, bắt đầu tạo tô pô và tiến trình tối ưu cục bộ. 3.2.2.1. Đề xuất thuật toán xóa liên kết trong multicast Mục đích của pha đầu là để tạo ra một tô pô k-nút kết nối có chi phí tương đối thấp, sơ đồ của pha này được thể hiện trong Hình 22. Thuật toán của quá trình tối ưu cục bộ được thể hiện trong Hình 23.
20. 18 3.2.2.2. Đề xuất thuật toán thêm liên kết trong multicast Thuật toán này cũng bao gồm hai pha, pha bắt đầu tạo tô pô và tiến trình tối ưu cục bộ, giai đoạn thứ hai là giống như của các thuật toán xóa liên kết. 3.2.2.3. Đề xuất song song hóa thuật toán Ford Fulkerson Song song hóa thuật toán Ford Fulkerson theo Hình 24 xử lý tất cả các nút được gắn nhãn và chưa duyệt với tất cả k-nút kết nối, cải tiến bước 2 thể hiện như sau: 1 Bắt đầu Tạo ra các kết nối tô pô G=(U,V) 2 đầy đủ và xem nó như tô pô tốt nhất hiện tại 3 C = 0,U={Si},V={Sij} Đ 4 C > Cmax S Đạt được tô pô 10 C = C+1 5 Tạo ra cấu hình tạm mới 11 cuối cùng Kiểm tra đây có phải là S 6 k nút kết nối? 12 Kết thúc Đ Chọn liên kết, 7 gán trọng số liên kết Kiểm tra chi phí tô pô S 8 được cải thiện? Đ Chấp nhận tôpô tạm là tô pô mới 9 tốt nhất hiện tại và xóa tô pô cũ Hình 22. Pha đầu trong thuật toán xóa liên kết Đối với mỗi cạnh Sjk V, một trong hai tình huống có thể có thể xảy ra: ll ts . Sj đã được gắn nhãn và chưa duyệt, Sk không gắn nhãn và S jkS j k . Nếu tình huống này xuất hiện thì thực hiện gắn nhãn (Sj;+;nhan(Sk)) cho nút S , trong đó nhan()S )= min(nhan (S ), ts− ll và đặt S đã được gắn nhãn k kjSSjk jk j và đã duyệt và Sk được gắn nhãn và chưa duyệt;
21. 19 . Sk được gắn nhãn và chưa duyệt, Sj không gắn nhãn và ll 0 . Nếu tình S jk huống này xuất hiện thì thực hiện gắn nhãn (Sk;-;nhan(Sj)) cho nút Sj, trong đó nhan(S )= min(nhan(S ), ll ) và đặt Sk đã được gắn nhãn và đã duyệt và j k Skj Sj đã được gắn nhãn và chưa duyệt; 1 Bắt đầu 2 C = 0,U={Si},V={Sij} Đ 3 C > Cmax S Tô pô cuối cùng 11 C = C+1 4 Chọn các cặp liên kết 12 đã đạt được Thực thi mã Đ Kiểm tra đây có phải là 13 5 mạng trên Tô pô hai liên kết liền kề? S 14 Kết thúc Tạo một tô pô mới sau khi hoán 6 đổi các liên kết. Chọn định tuyến và gán trọng số liên kết Kiểm tra chi phí tôpô Đ 7 được cải thiện? S Tạo một tô pô tạm mới khác sau 8 khi hoán đổi các liên kết. Chọn định tuyến và gán trọng số liên kết S Kiểm tra chi phí tô pô 9 được cải thiện? Đ Chấp nhận tô pô tạm là tô pô mới 10 tốt nhất hiện tại và xóa tô pô cũ Hình 23. Thuật toán tối ưu cục bộ Nếu nút S|U|-1 được gắn nhãn thì đi đến bước 3, ngược lại trở lại bước 2. Song song hóa thuật toán Ford Fulkerson sẽ thực hiện theo các ràng buộc và tham số khác nhau trong nghiên cứu của Luận án. 3.2.3. Tỷ lệ lưu lượng trong cây multicast với mã mạng Tỷ lệ giữa mã mạng và đa cây multicast là 1.067. Thông lượng cực tại tại tập đích của giải pháp kỹ thuật mã mạng gấp đôi so với truyền unicast theo Hình 25. 3.3. Đề xuất thuật toán xác định mã mạng tuyến tính Đồ thị theo Hình 26 để phân biệt các nút trong đồ thị. Đối với một nút Sy T, VO(Sy) biểu thị tập cung ra (q,Sy,Sz) từ Sy và VI(Sy) biểu thị tập cung vào (q,Sx,Sy) từ Sy theo Hình 27. Một cung v = (q,Sy,Sz) có đuôi Sy=Sdu(v) và đầu Sz=Sda(v).
22. 20 Hình 24. Song song hóa thuật toán Ford Fulkerson S1 S1 S1 m1 m2 S2 S3 S2 S3 S2 S3 a m1 m b 2 S4 c S4 S4 d m1 m2 e m1Å m2 f 1 m1Å m2 S S 2 S S S S 5 6 3 5 6 5 6 (a) (b) (c) Thông lượng cực đại với đơn cây định Thông lượng cực đại với đa cây định Thông lượng cực đại với mã mạng là 2 tuyến bán nguyên multicast là 1.5 tuyến phân chia multicast là 1.875 Hình 25. Ưu điểm của mã mạng trong cải tiến thông lượng multicast từ nguồn đến tập đích
23. 21 n S1 m1 m2 T S2 S3 m1 m2 S4 m1 m2 m1Åm2 m1Åm2 D S S 5 6 Hình 26. Mô hình mã mạng VI(Sy) VO(Sy) Sx Sy Sz Hình 27. Biểu thị cung vào/ra của nút Sy Thuật toán xác định mã mạng tuyến tính thể hiện qua Hình 28. Thuật toán bao gồm hai giai đoạn: − Trong giai đoạn đầu tiên, thuật toán được thực thi để tìm lưu lượng, mỗi nút trung gian t T, tập P t là đường dẫn cạnh rời rạc h từ nguồn đến đích. Chỉ có các cạnh kết hợp trong cây mới được xét trong giai đoạn thứ hai của thuật toán. − Giai đoạn thứ hai là sử dụng thuật toán tham lam viếng thăm lần lượt mỗi cạnh và thiết kế mã tuyến tính sử dụng cho các cạnh đó. Kết quả thực thi kỹ thuật mã mạng cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán thể hiện qua Bảng 5 và Hình 29. Bảng 5. Kết quả thực thi tô pô với 3 phương thức truyền Mạng Phương thức truyền Lưu lượng Nút Cạnh Unicast Multicast Mã mạng 10.0 6 9 10.0 18.75 20.00 20.0 8 13 20.0 37.50 40.00 30.0 10 17 30.0 56.25 60.00 40.0 12 21 40.0 75.00 80.00 50.0 14 25 50.0 93.75 100.00 60.0 16 29 60.0 112.50 120.00 3.4. Đánh giá và nhận xét giải pháp kỹ thuật mã mạng cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán triển khai trong hệ thống ảo hóa Dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và các kết quả nghiên cứu liên quan, Luận án trình bày các giải thuật và thuật toán giải quyết bài toán tổng quát giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng.
24. 22 Hình 28. Thuật toán xác định mã mạng tuyến tính Hình 29. Tỷ lệ truyền thông với 3 phương thức truyền Đối với giải pháp đảm bảo gắn bó trong hệ phân tán, Luận án đã song song hóa thuật toán Lamport nhằm cho phép tiến trình đi vào miền găng trong loại trừ tương hỗ phân tán sớm hơn và yêu cầu thông điệp ít hơn so với
25. 23 các giải pháp tương tự. Kết quả song song hóa thuật toán Lamport là một phần trong thuật toán 4PCoDT đảm bảo tính gắn bó trong hệ phân tán. Đối với giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng, Luận án đã xây dựng được giải pháp xác định tỷ lệ nguồn và điều khiển tỷ lệ truyền truyến tính trên đồ thị con thông qua các ràng buộc của kỹ thuật mã mạng. Sau khi thuật toán xác định được tỷ lệ truyền, gói tin nguyên thủy được chia thành nhiều khối và mã hóa trước khi truyền trên các kênh. Tại tập đích, các gói tin được giải mã và trả về gói tin nguyên thủy. Đối với giải pháp tối ưu truyền thông multicast với mã mạng, Luận án xây dựng hai thuật toán thêm liên kết và xóa liên kết nằm rút gọn cây multicast. Cây multicast sau khi được rút gọn kết hợp với song song hóa thuật toán Ford Fulkerson nhằm tìm dòng tối đa truyền trên cây. Luận án đề xuất thuật toán xác định mã mạng tuyến tính nhằm đưa ra độ phức tạp về tổng thời gian thực thi của mã mạng. Tiểu kết Chương 3 Chương 3 đã trình bày mô hình điều khiển tỷ lệ nguồn cho multicast với mạng mã cho mạng với đồ thị con được mã trong công bố số (2). Hai thuật toán tạo tô pô được đề xuất là thêm liên kết, xóa liên kết và thực thi chúng trong cùng ngữ cảnh trong công bố số (4). Thuật toán triển khai truyền multicast kết hợp kỹ thuật mã mạng đảm bảo tập đích nhận thông tin không bị trùng lặp và đạt được thông lượng cực đại trong công bố số (6). KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết quả nghiên cứu của Luận án nhằm giải quyết mô hình tổng quan dựa trên các giải thuật, thuật toán nhằm tối ưu về cung cấp tài nguyên và truyền thông cho hệ phân tán triển khai trong máy ảo. Các kết quả cụ thể của Luận án đạt được thể hiện như sau: − Đối với hệ phân tán: Luận án đã đưa ra giải pháp đảm bảo tính gắn bó, nhất quán bên trong hệ và tính trong suốt đối với người sử dụng thông qua đóng góp: 1. Song song hóa thuật toán Lamport nhằm đảm bảo trật tự tổng quát các tiến trình trong hệ phân tán. 2. Đề xuất thuật toán 4PCoDT đảm bảo tính gắn bó dựa trên giao dịch bốn pha. − Đối với kỹ thuật mã mạng: Giải pháp được phát triển trên thuật toán điều khiển thích nghi tỷ lệ tương ứng. Luận án đã đề xuất các giải pháp sau:
26. 24 1. Giải pháp kỹ thuật mã mạng được phát triển trên thuật toán điều khiển thích nghi tỷ lệ tương ứng. 2. Đề xuất giải pháp xây dựng tô pô truyền multicast kết hợp với mã mạng. 3. Đề xuất hai thuật toán tạo tô pô được đề xuất là thêm liên kết, xóa liên kết. Song song hóa thuật toán Ford-Fukerson cho phép tối ưu chi phí truyền thông multicast giữa các máy chủ. 4. Đề xuất thuật toán xác định mã mạng tuyến tính. − Đối với hệ thống Điện toán Đám mây: Luận án đề xuất thực thi tô pô mạng và giải pháp mã mạng trong hệ thống máy chủ ảo. Một số hướng tiếp tục nghiên cứu, phát triển và mở rộng có thể đề xuất như sau: − Phát triển giải pháp điều khiển tiến trình phòng, chống bế tắc và phát triển giải pháp cân bằng tải trên các máy chủ. − Giải pháp mã mạng đa nguồn, đa tỷ lệ và đa kết nối. − Giải pháp cực tiểu độ trễ trong truyền thông. − Xây dựng giao diện mở và các giao thức của bộ điều khiển cung cấp tài nguyên mã mạng. − Tối ưu định tuyến và bảo mật các gói tin truyền.
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ (1). Lê Văn Sơn, Nguyễn Thanh Tuấn, Đặng Hùng Vĩ, Nguyễn Thái Hoàng, Phạm Thị Dung, Nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát trực tuyến các phương tiện cơ giới đường bộ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 3(64), p.163-169, 2013. (2). Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Một giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng, Hội thảo quốc gia lần thứ XVI: Một số vấn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin và truyền thông, p.193-198, 2013. (3). Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Giải pháp cung cấp tài nguyên truyền thông phân tán, in Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia lần thứ VIII về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), p.239-245, 2015. (4). Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Giải pháp tối ưu truyền thông multicast với mã mạng, Chuyên san Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT&TT, 15(35), p.28- 38, 2016. (5). Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán trong máy ảo, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, 11(108), p.90-93, 2016. (6). Hung Vi Dang, Tien Sy Nguyen, Van Son Le, Xuan Huy Nguyen, The optimal solution of communication resource allocation in distributed system integrated on cloud computing, 6th EAI International Conference on Context- Aware Systems and Applications, p.226-236, 2017. (7). Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Nguyễn Xuân Huy, Song song hóa thuật toán Lamport trong loại trừ tương hỗ phân tán, Chuyên san Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT&TT (Accepted).