(Tt luận án) Các phương pháp gần đúng dựa trên tối ưu bày đàn và tiến hóa vi phân giải bài toán lập lịch luồng công việc

BỘGIÁODỤCVÀ ĐÀOTẠO BỘQUỐCPHỊNG VIỆNKHOAHỌCVÀCƠNGNGHỆQNSỰ PHANTHANHTỒN CÁCPHƯƠNGPHÁPGẦNĐÚNGDỰATRÊN TỐI ƯU BÀY ĐÀN VÀ TIẾN HĨA VI PHÂN GIẢIBÀITỐNLẬPLỊCHLUỒNGCƠNGVIỆC TRONGMƠI TRƯỜNGĐIỆNTỐNĐÁMMÂY Chunngành :Cơsởtốn họcchotinhọc Mãsố 62 46 0110 TĨMTẮT LUẬNÁNTIẾNSĨ TỐNHỌC HÀNỘI-2018 Cơngtrìnhđượchồnthànhtại: VIỆNKH&CNQUÂNSỰ-BỘQUỐCPHÒNG Ngườihướngdẫnkhoahọc: TSNguyễnThếLộc TSN g u y ễ n DoãnCường Phảnbiện1:PGS.TS.NguyễnĐứcNghĩa TrườngĐại học BáchkhoaHàNội Phảnbiện2:PGS.TS.LêTrọngVĩnh TrườngĐạihọcKhoahọctựnhiên Đại học Quốc gia Hà Nội Phảnbiện3:PGS.TS.NguyễnXuânHoài TrườngĐạihọcHàNội LuậnántiếnsĩđượcbảovệtrướcHộiđồngchấmluậnán cấp Viện, họp Viện KH&CNQS Vàohồi ngày tháng năm2018 Cóthểtìmhiểuluậnántạithưviện: - Thưviện Viện KhoahọcvàCơngnghệqnsự - Thưviện QuốcgiaViệtNam MỞĐẦU Tínhcấpthiếtcủađềtàiluậnán Điện tốn đám mây hoạt động dựa tảng cơng nghệ ảo hóa mạng internet Trong mơi trường điện toán đám mây tài nguyên phần cứng, phần mềm cung cấp cho khách hàng dạng dịch vụ khách hàngsẽphải trảchiphí chocáctài ngun thựcdùng Điệntốnđám mây [1] môi trường phân tán không đồng với kết hợp nhiều máy chủ vật lý tạo nên máy chủ ảo để phục vụ khách hàng Bên cạnh lợi ích mang lại tài nguyên ln sẵn dùng, giảm thiểu chi phí đầut h tầng đội ngũ nhân viên công nghệ thông tin, điện toán đám mây phải đối mặt với thách thức an toàn bảo mật liệu, điều phối tài nguyên hiệu trung tâm l i ệ u , l ậ p l ị c h l u n g c ô n g việc,… Bài toán Lập lịch luồng công việc ứng dụngtrong nhiều lĩnh vực khoa học sống lập lịch điều phối tài nguyên hệ điều hành,cáchệthốngphântán, lậplịchbiểu chocácdâychuyềnsảnxuất.Các nhà khoa học sử dụngdữ liệu dạngluồngcông việc trongnhiều lĩnh vực khoa học nghiên cứu vũ trụ, động đất, tin sinh, vật lý….Đặc trưng loại ứng dụng cần phải xử lý số lượng lớn tác vụ , khốil ợ n g liệu trao đổi tác vụ cũngrấtlớndovậycác ứngdụngnày thường triển khai hệ thống tính tốn phân tán điện tốn lưới hayđiệntốnđámmây Thời gianhồnthànhvàchi phí thựcthi luồng cơng việc phụ thuộc vào nhiều yếu tố đầu vào như:     Sốlượngtácvụcủaluồngcơngviệc Sốtàinguncủamơitrườngtínhtốn Quanhệthứtựgiữacáctácvụtrongluồngcơngviệc Độtrùmật củađồthịluồngcơngviệc Rất nhiều trường hợp riêng toán lập lịch chứng minhl t h u ộ c l p N P - K h ó [ ] , d o v ậ y đ ể t ì m r a l i giải tối ưu cho tốn với kích thước liệu vào lớn dùng phương pháp vét cạn nhiều thời gian Một số cách tiếp cận theo Heuristic truyền thống Min- min, Max-min,… thường cho chất lượng lời giải không tốt Những giải pháp khác, chẳng hạn GA hay PSO, nhà nghiên cứu đề xuất không hướng tới mục tiêu tối thiểu hóa thời gian thực (makespan) luận án đặt Do việc nghiên cứu đề xuất thuật tốn lập lịch tìm lời giải gần tối ưu thời gian ngắn giúp nâng cao hiệu trung tâm điều phối đám mây việc cung cấp dịch vụ tới khách hàng Cấutrúcluậnán Luận án gồm phần mở đầu, phụ lục, 03 chương, phần kết luận hướng phát triển, danh mục cơng trình khoa học cơng bố tài liệu tham khảo Phần mở đầu: trình bày tính cấp thiết đề tài, khái quátc h u n g v ề m ụ c t i ê u , đ ố i t ợ n g , n ộ i d u n g , p h n g pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Chương1:Giớithiệubàitốnvàcácnghiêncứuliênquan Chương trình bày khái niệm luồng công việc, cấu trúcvà mộtsốluồngcơngviệc trongcácứngdụngkhoa họcthựctiễn.Mục 1.4 trình bày mơ hình tốn lập lịch luồng cơng việc mơi trường điện toán đám mây (từ gọi CLOS - Cloud Scheduling), biểu diễn tốn dạng kí hiệu Graham chứng minh độ phức tạp toán Mục 1.6 trình bày số nghiên cứu liên quan đến toán lập lịch vàđ n h g i u n h ợ c đ i ể m c ủ a c c c c h t i ế p c ậ n g i ả i toán lập lịch Chương2:GiảibàitoánCLOStheophươngphápTốiưubàyđàn Dựa theo phương pháp Tối ưu bày đàn, chương trình bày hai thuật toánm ới để gi ả i bà i t oá n CLOS l t hu ậ t toán PS Oi _H LP SO _H M ụ c 2.2 trình bày thuật tốn đề xuất PSOi_H với nội dung phương pháp mã hóa cá thể, cách thức cập nhật vector vị trí cá thể, phương pháp thoát khỏi cựctrị địa phương, chi tiết thuật tốn PSOi_H Phần nàycũngđã trình bàycác kết quảthực nghiệm đánh giá chất lượnglời giải thuật toán PSOi_H Mục 2.3 trình bày chi tiết thuật tốn đề xuất LPSO_H kết thực nghiệm với đánh giá chất lượng lời giải thuật toánLPSO_H Chương3:GiảibàitốnCLOStheophươngphápTiếnhóaviphân Chương trình bày tổng quan phương pháp tiến hóa vi phân, phươngpháp đối xứng, phươngpháp lựa chọn theo vòngdựa xếp hạng cá thể Mục 3.2 trình bày thuật tốn đề xuất MODE để giải tốn CLOS dựa theo phương pháp tiến hóa vi phân Phần cuối chương trình bày kết thực nghiệm đánh giá chất lượng lời giải thuật toán đề xuất MODE Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễn Về mặt lý thuyết khoa học, số nhiều cơng trình nghiên cứun h ữ n g dạngkhác củabàitoán Lập lịch,theo hiểubiết củatác giả,luận ánlàcơngtrìnhđầutiêngiải tốnLậplịchchodạngdữliệuluồng cơng việc DAG với mục tiêu tối thiểu hóa makespan Luận án đề xuất mơ hình tốn học chặt chẽ tường minh cho toán - lấy bối cảnh thực trung tâm điện toán đám mây - sở đưa cách phân loại tốn theo phương pháp Graham toán thuộc lớp NPKhó Luận án đề xuất ba thuật tốn lập lịch dựa hướng tiếp cận metaheuristic bao gồm Tối ưu bày đàn, Tiến hóa vi phân Về thực tiễn,kết nghiên cứu luậnán sở khoa học để thực thicácthuậttốnlậplịchluồngcơngviệctrongmơitrườngđiệntốnđám mâyphùhợpchotừngloạiđồthịluồngcơngviệcvàcácthamsốcủamơi trườngnhưtốcđộtínhtốncácmáychủ,băngthơnggiữacácmáychủ Chương1:Giớithiệubàitốnvàcácnghiêncứuliênquan Chương trình bày mơ hình tốn lập lịch luồng cơng việc mơi trường điện tốn đám mây, phân lớp phương pháp giải toán lập lịch chứng minh tốn đề xuất CLOS thuộc lớp NP-Khó Mơhìnhbàitốnlậplịchluồngcơngviệctrongmơitrườngđiệntốn đám mây Hệthốngtínhtốn Giảthiếtchotrướchệthốngtínhtốnbaogồm:  TậphợpNmáychủtrongmơitrườngđiệntốnđámmâyS={S 1,S2, SN}  Luồng công việc cần thực biểu diễn đồ thị có hướng, khơngc ó c h u t r ì n h G = ( V , E ) , m ỗ i đ ỉ n h b i ể u t h ị m ộ t tác vụ, cạnh biểud i ễ n mối quan hệ cha-con cặp tác vụ TậpcáctácvụT={T1,T2, TM}với Mlàsốlượngtácvụ  Khối lượng tính tốn tác vụ T ik ý h i ệ u l W i, đ o b ằ n g đ n   v ị f l o p (floating point operations: phép tính số thực dấu động) Tốc độ tính tốn máy tính, đo đơn vị flop/s (số tínht h ự c h i ệ n đ ợ c t r ê n g i â y ) , k ý h P(), hàm số định nghĩa P: SR+ phảy phép iệu sau: Si P(Si)  Mọi cặp máy chủ (Si, Sk) bấtkỳ có đường truyền để trao đổi l i ệ u v i n h a u ( ≤ i , k ≤ N )  Băng thông đường truyền, ký hiệu B(), tốc độ truyền liệu máy chủ, đo đơn vị bit giây (bps), hàm số định nghĩa sau: B: SSR+ (Si,Sk)B(Si,Sk)  - HàmbăngthôngB()tuântheocácràngbuộcsau: B(Si,Si) =: thời gian truyền từ máy chủ tới 0,n g h ĩ a l n ế u t c v ụ c h a v t c v ụ c o n đ ợ c b ố trí máy chủ không thời gian để truyền liệu chúng liệu lưu trữ sử dụng chỗ - B(Si,Sk) = B( S k,Si): kênh truyền hoạt độngtừ hai đầuvới tốc độtươngđương Khối lượng liệu cần truyền hai tác vụ T iv T k, ký hiệu Dik, cácgiátrịchotrước,Dik 0khi vàchỉ Til tácvụchacủaTk,ngượclại Dik= Kháiniệmlịchbiểu MộtphươngánxếplịchF ,c òn gọil lịchbi ể u F,đư ợc xácđị nh hai hàm(ts,proc)trongđó  ts:TR+;ts(Ti)làthờiđiểmmàtácvụTi Tbắt đầuđượcthựchiện  proc:TS;proc(Ti)làmáytínhđượcphâncơngthựchiệntácvụTi T Từcácgiảthiếttrênsuyra: ThờigiantínhtốncủatácvụTi: Wi PprocT i ;i1,2, ,M ThờigiantruyềndữliệugiữatácvụTiv tácvụTklà:  Dik ;i,k1,2, ,M Bp r o c Ti,procTk MakespancủalịchbiểuFđượcbiểudiễntheocôngthứcsau: makespan(F)max{tf( Ti)}min{ts(Ti)} TiT TiT vớitf(Ti) thời điểm kết thúc vàts(Ti) thời điểm bắt đầu thực củat c v ụ Ti Mụctiêucủabàitốn Mụctiêucủa bàitốnlàtìmlịchbiểuFsaochom a k e s p a n (F)min XếploạibàitốnCLOSthơngquaphânloạiGraham  BàitốnCLOScóthểđượcbiểudiễntheokýphápGrahamnhưsau: Q|outtree,cij|Cmax ĐộphứctạpcủabàitoánCLOS Dựa theo toán SCHED O Sinnen chứng minh thuộc lớp NP-khó, tác giả chứng minh tốn CLOS thuộc lớp NPkhób ằ n g c c h q u i d ẫ n b i t o n S C H E D v ề b i t o n CLOS Cácnghiêncứuliênquan Phânloạicácphươngphápgiảibàitoánlậplịch Phân loại phương pháp giải toán lập lịch Cấu trúc Cơ chế Căn Tập trung Tĩnh Cục Phân tán Động Tồn Phân bậc Hình1.12:Phânloạicácphươngpháplậplịch Cácgiảithuậtlậplịchtĩnh Các giải thuật dựa heuristics Lập lịch dựa Lập lịch dựa quyền phân ưu tiên cụm tác vụ Các giải thuật dựa Metaheuristics Lập lịch dựa tác vụ Thuật toán di Thuật toán đàn Phương pháp tối ưu bày đàn truyền kiến Thuật toán luyện thép … Phương pháp tiến hóa vi phân Hình1.13:Phânlớpcácgiảithuậtlậplịchtĩnh Cácphươngphápgiảibàitốnlậplịch CácthuậttốnHeuristicgiảibàitốnlậplịch Có nhiều thuật tốn Heuristic giải tốn lập lịch, điển hình họ nàylà thuật tốn Myopic, Min-min, Max-min, HEFT,TANH, Random,RRTSM CácthuậttốnMetaheuristicgiảibàitốnlậplịch Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu giải toán lập lịch dựa cách tiếp cận metaheuristic thuật toán EGA, GATSM, GAPSO, PSO_H, MPSO, … Sosánhcácthuậttoán Các thuật toán heuristic metaheuristic thường cho chất lượng lờig i ả i c h ấ p n h ậ n đ ợ c t r o n g t h i g i a n đ a t h ứ c , t u y nhiên thuật toán heuristic thường hoạt động dựa vào tính chất tác vụ rời rạc t r o n g quatrìnhxếplịchdovậychỉhiệuquảtrongmộtsốluồngcơngviệc nghiệm.V i m ộ t s ố b ộ d ữ l i ệ u n h T , T 5 , M , M5081,