NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN LẬP LỊCH VÀ ỨNG DỤNG. TT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN LÊ MINH TUẤN NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN LẬP LỊCH VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Quản lý Hệ thống Thơng tin Mã số: 9480205.01 QTD TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI– 2022 Cơng trình hồn thành tại: Viện Công nghệ Thông tin, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Hoàng Sơn TS Vũ Như Lân Phản biện 1: PGS TS Lê Hải Châu Phản biện 2: PGS TS Phạm Văn Hải Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Thanh Tùng Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Quốc gia họp tại: Viện Công nghệ thông tin– Đại học Quốc gia Hà Nội vào hồi ., ngày .tháng .năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam, - Trung tâm thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Gần đây, với phát triển cơng nghệ, hệ thống tính tốn phân tán không đồng lên xu hướng tất yếu để giải toán khoa học tính tốn chun sâu Các tài ngun hệ thống quản lý trung tâm liệu cấp phát động cho người dùng dựa tính khả dụng nhu cầu người dùng dựa tham số chất lượng dịch vụ Dựa hạ tầng phân tán, điện toán đám mây tảng ảo mới, đáng tin cậy, mở rộng dễ dàng cung cấp sở hạ tầng dịch vụ cho người dùng cuối Theo cách tiếp cận này, lợi ích mà điện tốn đám mây mang lại cho ứng dụng lớn phức tạp tốn luồng cơng việc Điện tốn đám mây cung cấp số lợi so với hệ thống tính tốn hiệu cao (HPC) truyền thống như: (1) cung cấp tài nguyên theo yêu cầu; (2) giảm chi phí phần cứng tài nguyên chia sẻ dựa mơ hình “trả phí cho lần sử dụng”; (3) cải thiện việc sử dụng tài nguyên với việc sử dụng máy ảo; (4) hài lòng người dùng tăng lên tuân theo thỏa thuận dịch vụ (SLA), thỏa hiệp người dùng nhà cung cấp dịch vụ Bài toán lập lịch nói chung mơ tả theo nhiều cách khác thường tái lại quan điểm cổ điển trình tự cơng việc quản lý sản xuất Một trình tự cơng việc loạt bước nhằm đơn giản hóa phức tạp việc thực thi quản lý ứng dụng Các lời giải cho trình tự cơng việc tạo thành mơ hình chung để mơ tả loạt ứng dụng khoa học hệ thống phân tán Bài tốn lập lịch đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực khoa học hóa học, vật lý, sinh học v.v., thường biểu diễn đồ thị có hướng khơng có chu trình (DAG), đó, nút đại diện cho tác vụ tính tốn cạnh biểu thị mức độ ưu tiên ràng buộc luồng tác vụ Do đặc điểm khơng đồng thiết bị, đặc tính khác cơng việc, tốn lập lịch cơng việc tốn thuộc lớp NP-đầy đủ, khơng có phương pháp cụ thể để giải tốn thời gian đa thức Do đó, kỹ thuật dựa meta-heuristic coi phương pháp nhằm tìm kiếm lời giải gần tối ưu Meta-heuristic phương pháp phát triển gần phương pháp tìm kiếm gần để giải vấn đề tối ưu nảy sinh kỹ thuật, công nghiệp, nhiều lĩnh vực khác Meta-heuristic sử dụng kỹ thuật có nguồn gốc từ trí tuệ nhân tạo, sinh học, toán học, tự nhiên để cải thiện hiệu suất tìm kiếm Nhiều nghiên cứu áp dụng thuật tốn metaheuristic lập lịch cơng việc Điện tốn lưới (GC) tập hợp máy tính phân tán kết nối mạng nhằm chia sẻ tài nguyên làm việc để hoàn thành nhiệm vụ chung Sự gia tăng nhanh chóng thiết bị điện toán hỗ trợ cá nhân (PDA), thiết bị không dây di động thu hút quan tâm nhà khoa học nhằm tích hợp thiết bị vào lưới tính tốn (CG) Tích hợp thiết bị không dây di động vào lưới nhằm mở rộng hệ thống tính tốn để chia sẻ lượng tài nguyên dư thừa thiết bị không dây di động cịn có nhiều thách thức Mặc dù có nhiều tiêu chuẩn cơng nghệ hỗ trợ cho điện tốn lưới cách sử dụng máy tính cố định nơi, nhiên công nghệ dễ dàng điều chỉnh cho thiết bị di động nhiều giả định thiết kế lưới khơng có xuất chúng Mặc dù cịn nhiều khó khăn tích hợp thiết bị di động vào lưới, tích hợp thành cơng, lưới tính tốn đem lại nhiều lợi ích to lớn: gia tăng số lượng thiết bị di động với khả tính tốn cao mạng; thiết bị di động sẵn sàng gia nhập lưới tạo thành lưới tính tốn di động có mặt khắp nơi cho phép lưới tăng khả xử lý toán lớn Do nhu cầu ngày tăng dịch vụ băng thông rộng di động với tỷ lệ liệu, tốc độ chất lượng dịch vụ cao thúc đẩy dự án đối tác hệ thứ ba (3GPP) phát triển công nghệ truyền thông hệ thứ tư (4G) tiến hóa dài hạn (LTE) Bản phát hành LTE cho phép băng thơng băng thơng mở rộng từ 5Mhz đến 20MHz với tốc độ liệu cao lên đến 300 Mb/giây cho đường xuống 75 Mb/giây cho đường lên Các thiết bị mạng di động tùy biến (MANET) lưới tính tốn di động (MCG) giao tiếp thông qua phương tiện truyền dẫn không dây truyền thông di động LTE/5G Chất lượng dịch vụ hệ thống LTE phụ thuộc vào trực tiếp vào thuật toán sử dụng Bộ lập lịch xem xét điều kiện kênh để phân bổ khối tài nguyên (RB) đến người dùng Các thuật toán lập lịch mạng LTE phân loại thành (1) không nhận biết kênh; (2) nhận biết kênh/ không nhận biết chất lượng dịch vụ; (3) nhận biết kênh/ nhận biết chất lượng dịch vụ Các thuật toán lập lịch thường khác tham số đầu vào, mục tiêu lập lịch dịch vụ đích Các thuật tốn lập lịch không nhận biết kênh chủ yếu sử dụng mạng có dây việc lập lịch chúng thực cách giả định phương tiện truyền dẫn khơng có lỗi Trong kiến trúc LTE, thành phần quan trọng chịu trách nhiệm lập lịch phân bổ tài nguyên tới người dùng trạm sở (eNodeB) Trong lập lịch LTE, số tham số sử dụng để đánh giá hiệu suất hệ thống hiệu suất phổ tần, độ trễ, tính cơng thông lượng hệ thống Việc đáp ứng tất tham số điều khó đạt toán lập lịch phân bổ tài nguyên toán thuộc lớp NP-đầy đủ Các tham số cần phải rõ toán lập lịch mạng LTE phân biệt luồng liệu Cùng với phát triển nhanh chóng đa dạng điện thoại thông minh hỗ trợ 4G-LTE, chúng kết hợp với với mạng di động băng rộng 4GLTE trở thành sóng sống người Các yêu cầu tốc độ, chất lượng sẵn sàng ln địi hỏi nhà cung cấp dịch vụ di động phải thay đổi phương thức cung cấp dịch vụ theo hướng gia tăng chất lượng cách cung cấp dịch vụ liệu di động băng rộng để bù đắp cho sụt giảm dịch vụ thoại tin nhắn Mạng di động đa dịch vụ xem mạng thiết bị di động băng rộng kết nối qua mạng 4G-LTE hay 5G nhằm cung cấp lượng lớn dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao tới người dùng Lập lịch hệ thống phân tán tốn có ý nghĩa thực tiễn lớn giúp tăng chất lượng dịch vụ, giảm chi phí cho người cung cấp dịch vụ người sử dụng dịch vụ Mặc dù vậy, hầu hết thuật toán lập lịch sử dụng cho hệ thống lớn đơn giản, chưa mang lại hiệu theo hướng tối ưu hóa chi phí Chính vậy, nghiên cứu toán lập lịch theo hướng tăng độ hiệu xác thuật tốn hệ thống phân tán có ý nghĩa quan trọng tính khoa học thực tiễn Bài toán lập lịch tài nguyên mạng di động đa dịch vụ chia làm hai loại: toán lập lịch cho đường tải xuống toán lập lịch cho đường tải lên Trong phạm nghiên cứu, luận án tập trung vào toán lập lịch cho đường tải xuống Tải xuống truyền liệu từ trạm sở đến thiết bị di động Bộ lập lịch tải xuống thành phần trạm sở thực gán khối tài nguyên vật lý chia sẻ tới người dùng khác mạng Bài toán phát biểu sau: có k hàng đợi q1, q2, , qk chứa liệu lập lịch Các hàng đợi gửi thông tin lập lịch đến trạm sở Dựa chất lượng kênh truyền, trạm sở phân phối tài nguyên tới người dùng khác mạng theo miền thời gian miền tần số Theo miền thời gian, kênh tải xuống chia thành khe có độ lớn 10ms Theo miền tần số, băng thông chia thành kênh phụ có độ lớn 180Khz Tài nguyên cấp phát tới người dùng khối tài nguyên có độ lớn 1ms theo miền thời gian 180Khz theo miền tần số Thuật toán lập lịch phân phối khối tài nguyên tới người dùng phải đảm bảo yếu tố chất lượng giảm tỷ lệ trễ gói, giảm tỷ lệ gói, tăng băng thơng hệ thống, tăng tỷ lệ công người dùng Bài tốn lập lịch lưới tính tốn di động cách phân bổ công việc vào lưới tính tốn gồm lưới di động lưới cố định khoảng thời gian, số lượng công việc thực nhiều Bài tốn phát biểu sau: có n cơng việc, cơng việc có mi cơng việc phụ cần lập lịch phân bổ tài nguyên để thực Bộ lập lịch tồn cục phân phối cơng việc vụ công việc vào lưới phụ mạng theo chiến lược heuristic Bộ lập lịch địa phương sau nhận công việc phụ phân phối chúng tới máy lưới để thực Một chu trình lập lịch tổng thời gian cơng việc gửi tới lưới phụ, thời gian chờ lưới phụ, thời gian thực thi công việc Bộ lập lịch phải đảm bảo yêu cầu người dùng tăng tỷ lệ địa phương hóa, tăng thơng lượng hệ thống tăng tỷ lệ tăng tốc giảm thời gian chu trình Một số vấn đề cịn tồn với tốn lập lịch chưa giải quyết: - Chưa có tiêu chuẩn cụ thể để đánh giá cách xác giải thuật lập lịch đề xuất - Tính đắn thuật toán đề xuất chưa chứng minh sở toán học - Phương pháp luận cho việc kết hợp kỹ thuật khác để đưa phương pháp đủ mạnh cho toán lập lịch chưa nghiên cứu cách đầy đủ - Với toán lập lịch đường tải xuống mạng di động đa dịch vụ, thuật toán MT tập trung vào tối đa thông lượng mà chưa quan tâm đến tính cơng bằng, PF tập trung vào tính công mà bỏ qua thông lượng, EXP/PF cố gắng tìm kiếm giải pháp cân thơng lượng tính cơng tập trung vào ứng dụng thời gian thực Do cần phải có thuật toán lập lịch đường tải xuống đảm bảo cân yếu tố thơng lượng, độ trễ gói, tính cơng cho ứng dụng thời gian thực khơng thời gian thực - Với tốn lập lịch lưới tính tốn di động, thuật tốn MIN-MIN, MAX-MIN, HEFT tập trung vào môi trường mạng đồng mà chưa tập trung vào môi trường mạng diện nút tĩnh nút động Do đó, cần thiết có thuật tốn lập lịch cho lưới tính tốn di động áp dụng cho lưới có nút tĩnh động, đồng thời đảm bảo tiêu chí chất lượng dịch vụ tỷ lệ tăng tốc, thông lượng Dựa nhận xét, luận án chọn đề tài “Nghiên cứu đề xuất cải tiến thuật toán lập lịch ứng dụng” làm đề tài nghiên cứu Mục tiêu luận án Từ việc nghiên cứu hệ thống phân tán mạng di động đa dịch vụ, luận án thấy có hai vấn đề cần quan tâm hệ thống phân bổ tài nguyên tới thành phần hệ thống truyền thông thành phần hệ thống nhiều điều cần phải giải Từ đó, luận án đề xuất hai mục tiêu nghiên cứu sau: - Mục tiêu 1: Nghiên cứu, đề xuất thuật toán lập lịch cho đường tải xuống mạng di động đa dịch vụ kết hợp miền thời gian miền tần số - Mục tiêu 2: Nghiên cứu, đề xuất thuật toán lập lịch lưới tính tốn di động dựa tìm kiếm heuristic Đóng góp luận án Luận án tham gia vào nghiên cứu hệ tính tốn phân tán, thuật toán lập lịch mạng di động đa dịch vụ lưới tính tốn di động Từ tồn toán lập lịch, luận án tập trung nghiên cứu đề xuất cải tiến thuật toán lập lịch mạng di động đa dịch vụ lưới tính tốn di động Luận án có hai đóng góp chính: Đóng góp 1: Thuật toán lập lịch tài nguyên cho đường tải xuống mạng di động đa dịch vụ kết hợp miền thời gian miền tần số Đóng góp 2: Thuật tốn lập lịch tài ngun cho lưới tính tốn di động dựa theo heuristic Tính luận án Với đóng góp 1, thuật tốn lập lịch đề xuất phân bổ tài nguyên tới người dùng kết hợp miền thời gian miền tần số nhằm cải thiện băng thông hệ thống, tăng tỷ lệ công cho thiết bị di động biên vùng phủ sóng trạm sở Với đóng góp 2, thuật tốn đề xuất hoạt động môi trường mạng không đồng gồm nút tính nút di động Cấu trúc mạng thay đổi theo thời gian nút di động tham gia rời mạng Bố cục luận án Nghiên cứu phát triển thuật toán lập lịch cho đường tải xuống mạng di động đa dịch vụ cho lưới tính tốn di động bao gồm chương Ngồi phần Mở đầu trình bày tính cấp thiết đề tài, lý chọn đề tài, đối tượng nội dung nghiên cứu luận án phần kết luận, chương lại bố trí sau: Chương 1, tổng quan nghiên cứu sở lý thuyết Chương 2, lập lịch mạng di động đa dịch vụ Chương 3, lập lịch lưới tính tốn di động CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược hệ thống tính tốn phân tán bối cảnh toán lập lịch 1.2 Tổng quan lập lịch tài nguyên mạng di động đa dịch vụ 1.3 Tổng quan lập lịch lưới tính tốn di động 1.4 Kết luận chương Trong chương này, luận án tập trung trình bày tổng quan nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống tính toán phân tán bối cảnh lập lịch Trong hệ hệ thống tính tốn phân tán, hai thành phần quan trọng đảm bảo hiệu hệ thống quản trị liệu truyền thông Dữ liệu thu thập các thành phần cố định di động gửi trung tâm liệu để phân tích định Truyền thơng thực thành phần hệ thống giao tiếp với đám mây thông qua mạng Phần trình bày tổng quan tốn lập lịch mạng di động đa dịch vụ nghiên cứu liên quan Từ rút nhận xét làm động nghiên cứu đề xuất thuật toán lập lịch tích hợp miền thời gian miền tần số trình bày chương Tổng quan điện tốn lưới lưới tính tốn di động trình bày phần Từ nghiên cứu lưới tính tốn di động tốn lập lịch nghiên cứu, tác giả rút nhận xét làm động nghiên cứu đề xuất thuật tốn lập lịch lưới tính tốn di động dựa phương pháp meta-heuristic trình bày chương CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP LẬP LỊCH TRONG MẠNG DI ĐỘNG ĐA DỊCH VỤ 2.1 Giới thiệu chung mục đích nghiên cứu 2.2 Mơ hình mạng giả thiết Trong mơ hình mạng LTE, trạm sở (eNodeB) gồm chọn người dùng cấp phát tài nguyên Có k hàng đợi bao gồm q1, q2,…,qk sử dụng cho trình lập lịch Các hàng đợi gửi thông tin lập lịch đến trạm sở, sau đó, 20 khung liệu với khung chứa khung phụ có tần suất 1ms lập lịch để gửi tới người dùng Tín hiệu gửi tới thiết bị điện thoại thông 𝐽2 ⁡ = ⁡PL⁡ = ⁡ ∑ 𝑃𝑠 − ∑ 𝑃𝑟 → ⁡𝑚𝑖𝑛 ∑ 𝑃𝑠 (2.7) Trong đó, PL tỷ lệ gói, Ps tổng số gói tin gửi, Pr tổng số gói tin nhận Băng thông định nghĩa số lượng bít tối đa gửi qua kết nối mạng, đơn vị băng thông bps Thông lượng số lượng bit thực tế gửi qua kết nối mạng khoảng thời gian định Thông lượng thường nhỏ băng thông không vượt băng thông hệ thống Băng thông hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tắc nghẽn mạng; nhiều người dùng truy cập vào máy chủ; hay tài nguyên CPU, RAM thiết bị mạng bị giới hạn Trong LTE, tốc độ tải xuống tính theo cơng thức: 𝑆𝐵𝑤 ∗ 1000 𝐽3 = 𝐷𝑆 = ⁡ → 𝑚𝑎𝑥 1024 (2.8) Trong đó, DS tốc độ tải xuống có đơn vị đo KBps, SBw băng thơng hệ thống có đơn vị đo kbps Chỉ số cơng có giá trị nghĩa tất người dùng mạng có quyền truy cập tài nguyên cách bình đẳng vào tài nguyên mạng định Chỉ số công thường đo Jain’s fairness index để điều khiển số công F mạng 𝐽4 = ⁡𝐹⁡ = ⁡ (∑𝑁 𝑇ℎ𝑖 ) 𝑁 ∗ ∑𝑁 𝑇ℎ𝑖 ⁡⁡ (2.9) Trong đó, N tổng số người dùng, Thi thông lượng người dùng thứ i 2.4 Thuật tốn lập lịch tích hợp miền thời gian miền tần số (ITFDS) Trong lập lịch dựa thời gian, lập lịch trước tiên chọn người dùng 11 theo yêu cầu chất lượng dịch vụ họ với công định tỷ lệ khối tài nguyên tương ứng theo thơng lượng trung bình đạt q khứ độ dài hàng đợi để đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ Thuật toán LWDF tỷ lệ gói tin khứ sử dụng để xem xét yêu cầu chất lượng dịch vụ tính cơng hệ thống Đối với người dùng chọn miền thời gian, lập lịch theo miền tần số phân bổ khối tài nguyên cần thiết kênh theo điều kiện băng thông kênh Thuật toán đề xuất sử dụng dung lượng kênh tỷ lệ truyền trung bình khứ tất người dùng trước để tính độ ưu tiên gói tin Bằng cách thu thập tín hiệu CQI QCI từ người dùng, thuật toán lập lịch cấp phát tài nguyên theo tỷ lệ CQI QCI tương ứng Để tăng tỷ lệ truyền, độ trễ theo HOL thêm vào Khi đó: 𝐼𝑇𝐹𝐷𝑆 𝑚𝑖,𝑘 = arg 𝑚𝑎𝑥 (𝛼𝑖 𝑖 𝑑𝑘𝑖 (𝑡) 𝑅𝑖 (𝑡 − 1) exp⁡(𝛼𝑖 Thuật tốn ITFDS mơ tả sau: 12 𝑊(𝑡)+Δ𝑖,𝑘 (𝑡) − 𝑊(𝑡) ) (2.10) + √𝑊(𝑡) + Δ𝑖,𝑘 (𝑡) 2.5 Thực nghiệm đánh giá kết Trong phần này, luận án so sánh thuật toán lập lịch ITFDS đề xuất với số phương pháp liên quan QuAS PSS, cho ứng dụng theo thời gian thực không theo thời gian thực Mọi gói liệu thiết bị người dùng yêu cầu lên lịch đến hàng đợi để truyền thông qua kỹ thuật lập lịch đường xuống LTE đề xuất Miền tần số sử dụng để tối ưu hóa băng thơng thuật tốn cách hiệu Các tiêu chí đánh giá thực nghiệm bao gồm tỷ lệ trễ gói, tỷ lệ gói thơng lượng Trong đó, tỷ lệ trễ gói nhỏ tốt, tỷ lệ gói nhỏ tốt, thông lượng cao tốt 2.6 Ưu nhược điểm phương pháp đề xuất Thuật toán đề xuất ITFDS thuật tốn thuộc nhóm nhận biết kênh/nhận biết chất lượng dịch vụ Qua thực nghiệm, thuật toán đề xuất cho kết tốt thuật toán QuAS PSS khía cạnh thơng lượng, tính cơng tỷ lệ gói Mơ thực nghiệm với ứng dụng theo thời gian thực khơng theo thời gian thực Thuật tốn đề xuất cho kết tốt thông lượng với ứng dụng theo thời gian thực đảm bảo tính cơng với ứng dụng khơng địi hỏi thời gian thực Tỷ lệ gói giảm xuống thuật tốn đề suất so với thuật toán QuAS PSS Mặc dù đạt cải tiến, thuật toán đề xuất có tỷ lệ liệu truyền bị giảm khoảng cách trạm sở người dùng lớn Đôi khi, vấn đề kết nối xảy tín hiệu âm chuyển thành gói, thời gian truyền tăng lên 2.7 Kết luận chương Chương đề xuất thuật toán lập lịch ITFDS thuộc nhóm nhận biết 13 kênh/ nhận biết chất lượng dịch vụ tích hợp miền thời gian miền tần số nhằm cải thiện chất lượng lập lịch cho đường tải xuống mạng di động đa dịch vụ Thuật toán đề xuất phân phối tài nguyên tới tất người dùng theo miền thời gian miền tần số Thuật toán ITFDS cho kết tốt thuật tốn QuAS PSS thơng lượng, tính cơng bằng, tỷ lệ gói theo thực nghiệm Thuật toán cho kết tốt với ứng dụng yêu cầu thời gian thực đồng thời đảm bảo tính cơng người dùng Mặc dù đạt cải tiến đáng kể so với thuật toán QuAS PSS, thuật toán đề xuất có nhược điểm chưa cho kết tốt tỷ lệ truyền với khoảng cách trạm sở người dùng lớn vấn đề kết nối xảy tín hiệu âm chuyển thành gói Bên cạnh thuật tốn đề xuất cài đặt mạng 4G-LTE mà chưa thử nghiệm mơi trường mạng 5G Thuật tốn đề xuất so sánh kết với thuật toán QuAS PSS mà chưa so sánh với thuật toán loại khác Nhược điểm thuật toán đề xuất hướng nghiên cứu nhằm mở rộng thuật toán bối cảnh khác mạng 5G để đảm bảo thuật toán đề xuất đủ tốt để áp dụng vào ngành cơng nghiệp 4.0 Ngồi tốn lập lịch mạng di động đa dịch vụ, lập lịch lưới tính tốn di động thành tố quan trọng hệ thống tính tốn phân tán Trong chương 3, luận án trình bày nội dung nghiên cứu lưới tính tốn di động, đề xuất thuật toán lập lịch cho mạng với mục tiêu làm tăng chất lượng dịch vụ CHƯƠNG LẬP LỊCH LƯỚI TÍNH TỐN DI ĐỘNG 3.1 Giới thiệu chung mục đích nghiên cứu 3.2 Mơ hình mạng giả thiết 3.3 Vấn đề nghiên cứu phân tích tốn học 14 Trong mơ hình đề xuất, luận án xem máy máy chính, máy cịn lại máy phụ Máy nhận tất công việc phân phối chúng tới lưới phụ hỗ trợ lập lịch toàn cục Tại lưới, máy phụ lựa chọn để gán công việc hỗ trợ lập lịch địa phương Ban đầu, máy thứ cấp khai báo tốc độ khả tính tốn chúng Sau đó, máy phân phối công việc công việc liên quan (với trợ giúp lập lịch cục lập lịch toàn cục) cho máy phụ phù hợp với yêu cầu công việc khả xử lý máy Giả sử cơng việc Vk có nk công việc con, vik công việc phụ thứ k việc thứ i Nếu TG(vik) đại diện cho thời gian thực vik thì: 𝑛1 TG(v1 ) = ∑ 𝑇𝐺(⁡𝑣1𝑖 ) 𝑖=1 𝑛2 TG(v2 ) = ∑ 𝑇𝐺(⁡𝑣2𝑖 ) (3.1) 𝑖=1 ……………… 𝑛𝑛 TG(vn ) = ∑ 𝑇𝐺(⁡𝑣𝑛𝑖 ) 𝑖=1 Trong đó, 𝑇𝐺(𝑣𝑖 ), 𝑖 = 𝑛 thời gian thực thi công việc i Để tối ưu hóa hiệu hệ thống, hàm mục tiêu: 𝑛 𝐽1 = ∑ 𝑇𝐺(⁡𝑣𝑖 ) → 𝑚𝑖𝑛 (3.2) 𝑖=1 Với phát triển ngày cao, thiết bị di động lưới có khả thực hàng triệu phép tính giây (MIPS) cơng việc xử lý nút lưới bị giới hạn cụ thể số lượng khả 15 xử lý nút Giả sử cơng việc phụ thứ i công việc k vik có kích thước Sik (MIPS) tốc độ xử lý nút dk lưới Sk (MIPS) thời gian hồn thành cơng việc phụ xác định: 𝑇𝐺(𝑣𝑖𝑘 ) = 𝑆𝑖𝑘 𝑆𝑘 Trong trường hợp, máy phụ gán số lượng công việc phụ vượt khả xử lý máy số lượng cơng việc phụ chưa xử lý phân phối lại số máy phụ có số lượng cơng việc yêu cầu xử lý nhỏ khả máy Gọi NSk số công việc phụ chưa phân bổ nút dk lưới tải thì: 𝑚 ⁡⁡𝑁𝑆1 ⁡ = ∑ 𝑁𝑆𝑘 , ∀𝑁𝑆𝑘 ⁡ > ⁡0⁡ (3.4) 𝑖=1 Trong đó, m số lượng máy phụ lưới, NS1 tổng số công việc phụ chưa thực lưới tải Gọi NS2 số lượng cơng việc cịn thực lưới Khi đó: 𝑁𝑆′𝑘 𝑁𝑆2 ⁡ = ⁡ ∑ ⁡𝐾𝑖 , ∀𝑁𝑆𝑘′ < ⁡0, 𝑁𝑆𝑘 = |𝑁𝑆′𝑘 |⁡ (3.5) 𝑖=1 Trong đó, 𝑁𝑆𝑘′ số cơng việc phụ phục vụ nút tải lưới Do ban đầu, máy phân phối công việc tới lưới ngẫu nhiên nên đó, có ba khả xảy ra: NS1 = NS2: Các công việc phân phối tới lưới cách suôn sẻ NS1 > NS2: Số lượng công việc phân bổ tới lưới nhỏ khả xử lý lưới Việc phân bổ thành công 16 NS1 < NS2: Số lượng công việc phân bổ tới lưới lớn lực xử lý lưới Một số công việc khơng phân bổ cách xác tới máy Sau thời điểm đầu tiên, công việc chưa cấp phát máy phụ để thực thi trả lại cho máy Lúc máy biết lực lưới nên lập lịch tồn cục phân bổ cơng việc tối ưu Gọi TGEX thời gian chờ mong đợi việc vj máy Mj thì: 𝑇𝐺𝐸𝑋 = ⁡ 𝜆𝑗 ⁡⁡ 𝜇𝑗 (𝜇𝑗 − 𝜆𝑗 ) (3.6) Gọi TGES thời gian phục vụ trung bình máy Mj thì: 𝑇𝐺𝐸𝑆 = ⁡ ⁡⁡ 𝜇𝑗 (3.7) Khi đó, tổng thời gian thực thi công việc i máy j TG(i,j) tính: 𝑚 𝑇𝐺(𝑖, 𝑗) = ∑(𝑇𝐺𝐸𝑋 + 𝑇𝐺𝐸𝑆 ) ∗ 𝛿𝑖𝑗 ∗ 𝑆𝑖 ⁡⁡ (3.8) 𝑖=1 Trong đó, m số cơng việc phụ cơng việc i, Si kích thước cơng việc i (MISP), 𝛿𝑖𝑗 biến Boolean đó: 0, 𝛿𝑖𝑗 = { 1, 𝑁ế𝑢⁡𝑐ơ𝑛𝑔⁡𝑣𝑖ệ𝑐⁡𝑖⁡đượ𝑐⁡𝑔á𝑛⁡𝑐ℎ𝑜⁡𝑚á𝑦⁡𝑗 𝑁ế𝑢⁡𝑐ơ𝑛𝑔⁡𝑣𝑖ệ𝑐⁡𝑖⁡𝑘ℎơ𝑛𝑔⁡đượ𝑐⁡𝑔á𝑛⁡𝑐ℎ𝑜⁡𝑚á𝑦⁡𝑗 Khi đó, thời gian lịch biểu tính là: 𝑇𝐺 = max 𝑇𝐺(𝑖, 𝑗) (3.9) 1≤i≤R Tỷ lệ tăng tốc tỷ lệ thời gian hồn thành cơng việc thời gian lịch biểu: 17 𝑆𝑃𝑢 = 𝑇ℎờ𝑖⁡𝑔𝑖𝑎𝑛⁡ℎ𝑜à𝑛⁡𝑡ℎà𝑛ℎ⁡𝑐á𝑐⁡𝑐ô𝑛𝑔⁡𝑣𝑖ệ𝑐 ⁡ 𝑇𝐺 (3.10) Mục tiêu toán giảm thời gian tăng tốc, tức thời gian chờ thực thi giảm Hàm mục tiêu: 𝐽2 = 𝑆𝑃𝑢 𝑛𝐶𝑃𝑈 (3.11) Trong đó, nCPU số lượng CPU nút lưới Một đồ thị không trọng số sử dụng để xác định thông tin kết nối địa phương tới trạm sở địa phương Các đỉnh đồ thị nút tính tốn lưới tính tốn di động cạnh liên kết vô tuyến từ trạm sở tới nút Để xác định nút thuộc lưới tính tốn, chúng có thơng tin địa phương, số lượng hàng xóm trung bình nút Thơng tin địa phương tỷ lệ địa phương hóa hàm theo e tính: 𝐽3 = 𝑅𝐿𝑅 = 𝑅 ∗ 𝑒 − 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 − 𝑍𝑖 𝑒 1−𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙∗𝜋(cos(𝑡−𝑡∗√1−𝑡 )) → 𝑚𝑖𝑛 (3.12) Trong local tham số địa phương ngẫu nhiên khoảng [0, 1] R miền phủ sóng vơ tuyến lớn Zi khoảng cách lớn từ trạm sở tới nút lưới Thơng lượng tồn hệ thống thông lượng lớn mà trạm sở gán công việc tới lưới thông lượng lưới: 𝐽4 = 𝑠𝐵𝑊 = max(𝐵𝑊𝑖 , 𝐺𝑖 ) , 𝑖 = 𝑛 (3.13) Trong sBW thông lượng hệ thống, n số lưới phụ mạng, BWi thông lượng từ trạm tổng tới lưới BWi thường nhỏ thông lượng thực mà hệ thống cung cấp nhằm đảm bảo tốc độ hệ thống BWi tính sau: 𝐵𝑊𝑖 = max(𝐵𝑊𝑗 ) , 𝑗 = 𝑛⁡ 18 (3.14) Gi thông lượng lưới phụ, tính: 𝐺𝑖 = 𝑛𝑖 ∗ 𝑆𝑛𝑘 ∑𝑚 𝐽=1 𝑀𝑗 ⁡ (3.15) Trong đó, ni số lượng cơng việc phụ gửi tới lưới i, Snk kích thước công việc phụ n công việc k, m số lượng máy lưới i 3.4 Thuật tốn lập lịch cơng việc lưới tính tốn di động dựa tìm kiếm meta-heuristic – HGLA Phần đề xuất thuật tốn có tên HGLA Thuật tốn đề xuất gồm hai pha: (1) lập lịch toàn cục máy nhận tất cơng việc với công việc phụ gửi người dùng phân bổ tới lưới sử dụng heuristic dựa q trình địa phương hóa với trợ giúp lập lịch địa phương; (2) lập lịch địa phương sử dụng MIN-MIN, MAX-MIN hay HEFT để lựa chọn máy phụ để phân bổ công việc phụ Để cài đặt thuật toán, luận án sử dụng cấu trúc liệu khác sau: RList mảng chứa tất công việc phụ cần phân bổ lại; NMc tổng số máy thứ cấp sẵn sàng nhận nhiệm vụ để thực hiện; mảng hai chiều Alloc, Alloc[i, j] = k có nghĩa công việc thứ j công việc thứ i thực máy k; mảng chiều CMc chứa số lượng cơng việc thực thời điểm máy phụ; List[i] cấu trúc liệu chứa công việc phụ gán cho máy M; SMc mảng sử dụng để lưu trữ tốc độ xử lý tất máy thứ cấp; số lượng công việc cơng việc phụ lưu Mjobs Msjobs; biến tạm Tmp lưu trữ số lượng công việc vượt khả máy cụ thể Các bước thuật toán HGLA pha mơ tả sau: 19 Các bước thuật tốn HGLA pha mô tả sau: 20 3.5 Thực nghiệm đánh giá kết Trong phần này, luận án cài đặt mơ hình đề xuất Eclipse GridSim để kiểm chứng phân tích hiệu hệ thống Kích thước cơng việc công việc phụ sử dụng để xác định hội tụ giải pháp đề xuất Thực nghiệm thực 40 lần chạy với ổ cứng 1TB 16 GB RAM giá trị trung bình sử dụng để đánh giá kết thuật toán Các tiêu chí đánh giá thử nghiệm bao gồm tỷ lệ tăng tốc theo công thức (3.10), tỷ lệ địa phương hóa theo cơng thức (3.12) thơng lượng theo cơng thức (3.13) Trong đó, tỷ lệ tăng tốc nhỏ tốt, tỷ lệ địa phương hóa nhỏ tốt, thông lượng lớn tốt 21 3.6 Kết luận chương Chương đề xuất phương pháp lập lịch lưới tính tốn di động dựa heuristic (HGLA) Thuật toán đề xuất thực qua hai giai đoạn: giai đoạn một, công việc phân bổ tới lưới lập lịch toàn cục; giai đoạn hai, lưới, tài nguyên phân phối tới nút xử lý theo phân bổ lập lịch địa phương Kết thuật toán đề xuất so sánh với số thuật toán khác MIN-MIN, MAX-MIN, HEFT Ban đầu, lập lịch cục phân phối công việc cách ngẫu nhiên vào lưới nên có trường hợp lưới bị q tải, cơng việc chưa cấp phát tài nguyên để thực trả lại máy Nếu mạng khơng thay đổi, máy phân bổ lại cơng việc chưa thực tới lưới để hoàn thành Tuy nhiên, thực tế, mạng có thêm nút gia nhập có nút rời hệ thống Máy phải phân bổ lại tài nguyên dựa heuristic trước Mơ thực nghiệm số lượng nút khác để chứng minh hiệu suất mơ hình Các thực nghiệm cho thấy kết phương pháp đề xuất cải thiện số phương pháp truyền thống tỷ lệ địa phương hóa, thơng lượng, khả tăng tốc số trường hợp định KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận luận án Lập lịch toán cấp phát nguồn lực, tài nguyên để thực công việc chuỗi tiến trình sở thời gian, tài nguyên ràng buộc định sẵn Do đó, lập lịch coi tìm kiếm giải pháp tối ưu điều kiện hạn chế Trong hệ thống phân tán, lập lịch tốn có ý nghĩa thực tiễn với mục đích làm giảm chi phí cho người sử dụng dịch vụ 22 người cung cấp dịch vụ Các thuật toán lập lịch cho hệ thống lớn chứa đựng nhiều yếu tố phức tạp ảnh hưởng đến chất lượng lập lịch chưa giải dẫn đến chưa mang lại hiệu tối ưu chi phí Chính vậy, việc nghiên cứu đề xuất cải tiến thuật tốn lập lịch trở nên vơ cấp thiết có giá trị thực tiễn Với mục tiêu nghiên cứu đề xuất cải tiến thuật toán lập lịch, kết nghiên cứu chương 2, chương đưa đóng góp đề tài cụ thể: - Thuật toán lập lịch cho đường tải xuống mạng di động đa dịch vụ kết hợp miền thời gian miền tần số (ITFDS) Thuật toán lập lịch đề xuất phân phối tài nguyên cho tất người dùng theo miền thời gian miền tần số Kết mô phương pháp đề xuất so sánh với thuật toán QuAS, PSS tham số độ trễ, tỷ lệ gói, tổng thông lượng số công Kết thuật tốn đề xuất cơng bố [CT2, CT3] danh mục cơng trình khoa học có liên quan đến luận án - Đề xuất thuật toán lập lịch phân phối tài ngun cho lưới tính tốn di động dựa tìm kiếm heuristic Thực nghiệm phương pháp đề xuất so sánh với MIN-MIN, MAX-MIN HEFT tham số dịch vụ tỷ lệ tăng tốc, thông lượng tỷ lệ địa phương hóa Kết phương pháp đề xuất cơng bố [CT4] danh mục cơng trình khoa học có liên quan đến luận án Bên cạnh kết đạt phương pháp đề xuất cịn có hạn chế định kết nghiên cứu Với thuật toán ITFDS, thuật tốn thử nghiệm mơi trường mạng 4G-LTE mà chưa thử nghiệm với môi trường mạng 5G hay tỷ lệ liệu truyền bị giảm với người dùng xa trạm sở, hay mô so sánh với phương pháp QuAS PSS mà chưa thử nghiệm với phương pháp loại khác Trong thuật toán HGLA, 23 đạt kết mặt hiệu suất, chưa có nhiều cải tiến mặt lượng Hướng phát triển Ngoài kết đạt nêu luận án, số hướng phát triển liên quan đến luận án mà tác giả hướng tới tích hợp khả tính tốn thiết bị IoT lấy mẫu nén dựa định tuyến tái tạo liệu nhằm tiết kiệm lượng cho mạng Tích hợp khả tính tốn trong IoT mang tới bước nhảy vọt lĩnh vực y tế, qn sự, gia đình, giải trí, v.v IoT bao gồm kết hợp công nghệ khác điện tốn đám mây, mạng cảm biến khơng dây, liệu lớn thơng tin liệu, đó, nhiệm vụ thành phần IoT (như cảm biến, điện thoại thẻ RFID) cảm nhận, thu thập lưu trữ liệu sau gửi chúng đến trạm sở Việc tìm kỹ thuật nhằm kéo dài tuổi thọ mạng cần thiết Nhiều kỹ thuật khác đề xuất giao thức định tuyến lược đồ nén liệu Kỹ thuật sử dụng để giảm lượng tiêu thụ giao tiếp nút coi nguồn tiêu thụ điện IoT Kết nghiên cứu công bố thời gian làm luận án 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN [CT1] Ishaani Priyadarshini, Raghvendra Kumar, Le Minh Tuan, Le Hoang Son, Hoang Viet Long, Rohit Sharma, Sakshi Rai, (2021), “A new enhanced cyber security framework for medical cyber physical systems”, SICS Software-Intensive CyberPhysical Systems 35(3), pp 159-183, ESCI, Springer, ISSN:2524-8510 [CT2] Lê Minh Tuấn, Lê Hoàng Sơn, Phạm Thị Minh Phương, Vũ Như Lân, Đặng Thanh Hải, Đinh Thu Khánh, (2019), “Nghiên cứu đề xuất mơ hình mạng động cho toán lập lịch tài nguyên mạng Long Term Evolution (LTE)”, Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia lần thứ XII Nghiên cứu ứng dụng Công Nghệ thông tin (FAIR), tr 345-352 [CT3] Le Minh Tuan, Le Hoang Son, Hoang Viet Long, Rajaretnam Priya, Ruba Soundar, Harold Robinson, Raghvendra Kumar, (2020), “ITFDS: channel-aware integrated time and frequency-based downlink LTE scheduling in MANET”, Sensors 20(12), pp 3394, SCIE, 2019, IF=3.847, ISSN: 1424-8220 [CT4] Dinesh Prasad Sahu, Karan Singh, Manisha Manju, David Taniar, Le Minh Tuan, Le Hoang Son, Mohamed Abdel Basset, Hoang Viet Long, (2019), “Heuristic search based localization in mobile computational grid”, IEEE Access 7, pp 7865278664, SCIE, 2019, IF=3.476, ISSN: 2169-3536 25