Luận văn: Nghiên cứu tính toán lưới và thử nghiệm một số thuật toán lý thuyết đồ thị pdf

TRNG I HC KHOA HC T NHIÊN KHOA CÔNG NGH THÔNG TIN B MÔN CÔNG NGH PHN MM HUNH BÁ THANH TÙNG - 0112079 TRN VIT CNG - 0112339 NGHIÊN CU TÍNH TOÁN LI VÀ TH NGHIM MT S THUT TOÁN LÝ THUYT  TH KHÓA LUN C NHÂN TIN HC GIÁO VIÊN HNG DN TS. TRN AN TH Th.S NGUYN THANH SN NI ÊN KHÓA 2001-2005 NHN XÉT CA GIÁO VIÊN HNG DN NHN XÉT CA GIÁO VIÊN PHN BIN LI CM N Chúng em xin bày t lòng bit n chân thành nht đn thy Trn an Th và thy Nguyn Thanh Sn, hai thy đã tn tâm hng dn, giúp đ chúng em trong sut thi gian thc hin lun vn này. Chúng con xin gi tt c lòng bit n sâu sc và s kính trng đn ông bà, cha m, cùng toàn th gia đình, nhng ngi đã nuôi dy chúng con trng thành đn ngày hôm nay. Chúng em cng xin chân thành cám n quý Thy cô trong Khoa Công ngh thông tin, trng i hc Khoa hc T nhiên Tp.H Chí Minh đã tn tình ging dy, hng dn, giúp đ và to điu kin cho chúng em thc hin tt lun vn này. Xin chân thành cám n s giúp đ, đng viên và ch bo rt nhit tình ca các anh ch và tt c các bn, nhng ngi đã giúp chúng tôi có đ ngh lc và ý chí đ hoàn thành lun vn này. Mc dù đã c gng ht sc, song chc chn lun vn không khi nhng thiu sót. Chúng em rt mong nhn đc s thông cm và ch bo tn tình ca quý Thy Cô và các bn. TP.HCM, 7/2005 Nhóm sinh viên thc hin Hunh Bá Thanh Tùng - Trn Vit Cng LI NÓI U Nhân lai ngày nay đang chng kin s phát trin mnh m ca ngành Công ngh Thông tin, mt trong nhng ngành mi nhn ca nhiu quc gia trên th gii. S phát trin vt bc ca nó là kt qu tt yu ca s phát trin kèm theo các thit b phn cng cng nh phn mm tin ích. S phát trin đó đã kéo theo rt nhiu các ngành khác phát trin theo, trong đó có lnh vc nghiên cu khoa hc. Tuy công ngh ngày càng phát trin, tc đ x lý ca các thit b cng không ngng tng cao, nhng nhu cu tính toán ca con ngi vn còn rt ln. Cho đn hin nay vn còn rt nhiu vn đ mà các nhà khoa hc cùng vi kh nng tính toán ca các máy tính hin nay vn cha gii quyt đc hay gii quyt đc nhng vi thi gian rt ln. Các vn đ đó có th là : • Mô hình hóa và gi lp • X lý thao tác trên các d liu rt ln • Các vn đ “grand challenge” (là các vn đ không th gii quyt trong thi gian hp lý) Li gii cho nhng vn đ này đã dn đn s ra đi ca các th h siêu máy tính. Tuy nhiên vic đu t phát trin cho các thit b này gn nh là điu quá khó kh n đi vi nhiu ngi, t chc, trng hc…. Chính vì l đó mà ngày nay ngi ta đang tp trung nghiên cu cách cách s dng các tài nguyên phân b mt cách hp lý đ tn dng đc kh nng tính toán ca các máy tính đn. Nhng gii pháp này đc bit đn vi nhiu tên gi khác nhau nh meta- computing, salable-computing, global- computing, internet computing và gn nht hin nay là peer to peer computing hay Grid computing. ây là phng pháp nhm tn dng kh nng ca các máy tính trên toàn mng thành mt máy tính “o” duy nht, nhm hp nht tài nguyên tính toán  nhiu ni trên th gii đ to ra mt kh nng tính toán khng l, góp phn gii quyt các vn đ khó khn trong khoa hc và công ngh. Ngày nay nó đang càng đc s h tr mnh hn ca các thit b phn cng, bng thông… Grid Computing có kh nng chia s, chn la, và thu gom mt s lng ln nhng tài nguyên khác nhau bao gm nhng siêu máy tính, các h thng lu tr, cùng vi nhng ngun d liu, các thit b đt bit… Nhng tài nguyên này đc phân b  các vùng đa lý khác nhau và thuc v các t chc khác nhau. Nhn thy đc nhu cu phát trin y, nhóm chúng em đã quyt đnh chn thc hin đ tài “Nghiên cu tính toán li và thc nghim trên mt s thut toán lý thuyt đ th” Mc tiêu ca đ tài đ ra là tìm hiu v tính toán li, và qua đó tn dng các kin thc có đc đ có th cài đt mt s thut toán lý thuyt đ th, nhm có th gii quyt các vn đ tìm đng đi khi s đnh tng đi ln… Các ni dung chính: • Nghiên cu tính toán li • Tìm hiu các môi trng h tr • Tìm hiu lp trinh song song và phân tán • Cài đt mt s thut toán vi kin thc có đc Ni dung ca lun vn đc chia làm 6 chng : Chng 1. Gii thiu : Gii thiu tng quan v tính toán li, khái nim lch s phát trin. Chng 2. Tính toán song song và phân b : Trình bày v các kin trúc, mô hình x lý song song và phân b, cách thc xây dng chng trình, thit k thut toán… Chng 3. Các môi trng h tr tính toán li : Tìm hiu v các môi trng đang đc s dng và nghiên cu hin nay trên th gii. Chng 4. Mô hình lp trình truyn thông đip - MPI : Mô hình c th đc dùng đ phát trin ng dng MPI. Chng 5. Th nghim các thut toán lý thuyt đ th : Cách thc xây dng chng trình , các khái nim lý thuyt, thc nghim thc t … Chng 6. Tng kt : Nêu các kt qu đã đt đc, mt s vn đ còn tn ti, đnh hng mc tiêu m rng phát trin đ tài trong tng lai. Mc lc Danh sách hình 11 Chng 1. Gii thiu 13 1.1. Các khái nim 13 1.2. Nhng thách thc đi vi tính toán li 16 Chng 2. Tính toán song song và phân b 17 2.1. Khái nim 17 2.2. Nn tng tính toán song song và phân b 18 2.2.1. Kin trúc x lý song song và phân b 18 2.2.2. T chc vt lý ca các nn tng song song và phân b 25 2.3. Mt s mô hình lp trình song song thông dng 26 2.3.1. Mô hình chia s không gian b nh 26 2.3.2. Mô hình truyn thông đip 27 2.4. Cách thc xây dng mt chng trình song song và phân b 29 2.4.1. Các thut ng cn bn 29 2.4.2. Thit k thut toán song song 31 2.4.3. Mt s phng pháp ti u 43 2.4.4. Các mô hình thut toán song song 48 Chng 3. Các môi trng h tr tính toán li 52 3.1. Gii thiu 52 3.2. Các vn đ khi lp trình lui 53 3.2.1. Tính mang chuyn, tính kh thi và kh nng thích ng 53 3.2.2. Kh nng phát hin tài nguyên 54 3.2.3. Hiu nng 54 3.2.4. Dung li 55 3.2.5. Bo mt 55 3.2.6. Các siêu mô hình 55 3.3. Tng quát v các môi trng h tr 56 3.3.1. Mt s môi trng Grid 56 3.3.2. Nhng mô hình lp trình và công c h tr 59 3.3.3. Môi trng cài đt 64 3.4. Nhng k thut nâng cao h tr lp trình 75 3.4.1. Các k thut truyn thng 76 3.4.2. Các k thut hng d liu 76 3.4.3. Các k thut suy đoán và ti u 77 3.4.4. Các k thut phân tán 77 3.4.5. Nhp xut hng Grid 78 3.4.6. Các dch v giao tip cp cao 78 3.4.7. Bo mt 80 3.4.8. Dung li 80 3.4.9. Các siêu mô hình và h thng thi gian thc hng Grid 82 3.5. Tóm tt 83 Chng 4. Mô hình lp trình truyn thông đip - MPI 85 4.1. Các khái nim c bn 86 4.2. Cu trúc chng trình MPI 89 4.3. Trao đi thông tin đim-đim 90 4.3.1. Các thông tin ca thông đip 90 4.3.2. Các hình thc truyn thông 91 4.3.3. Giao tip blocking 92 4.3.4. Giao tip non-blocking 96 4.4. Trao đi thông tin tp hp 101 4.4.1. ng b hóa 101 4.4.2. Di di d liu trong nhóm 101 4.4.3. Tính toán gp 105 4.5. Các kiu d liu 109 4.5.1. Nhng kiu d liu đã đc đnh ngha 109 4.5.2. Các kiu d liu b sung 110 4.5.3. Pack và UnPack 113 Chng 5. Th nghim các thut toán lý thuyt đ th 114 5.1. Các khái nim c bn 114 5.2. Dijkstra 115 5.2.1. Tun t 115 5.2.2. Song song 119 5.2.3. Thc nghim chng trình 120 5.3. Prim 122 5.3.1. Tun t 122 5.3.2. Song song 124 5.3.3. Thc nghim chng trình 126 5.4. Bellman – Ford 128 5.4.1. Tun t 128 5.4.2. Song song 130 5.4.3. Thc nghim chng trình 132 5.5. ánh giá chung 134 Chng 6. Tng kt 136 6.1. Kt lun 136 6.2. Hng phát trin 136 Tài liu tham kho 138 [...]... thu c, thích h p, r ng kh p và chi phí th p vào các kh n ng tính toán Trong m t t ng lai không xa, nh ng grid này s c các k s , nhà khoa h c, khoa h c th c nghi m, công ty, t ch c, môi tr khách hàng, … s d ng r ng rãi Chúng s ng, giáo d c và ào t o, c dành riêng cho tính toán theo yêu c u, tính toán trên thông tin nh y c m, tính toán c ng tác, và siêu tính toán, d a trên c s c a khách hàng/nhà cung... ng song song và phân b nh m t n d ng t i a kh n ng th c thi c a các b x lý, và gi i quy t các v n nan gi i trên Trang 17 2.2 N n t ng tính toán song song và phân b Trong ph n này chúng ta s xem xét cách t ch c logic và v t lý c a các n n t ng song song và phân tán Cách t ch c logic liên quan c a ng n quan i m i l p trình (ki n trúc x lý song song và phân b ) trong khi cách t ch c v t lý liên quan n... u b x lý ch y song song Phân tán d li u nh p, xu t và trung gian cùng v i ch ng trình Qu n lý truy c p vào d li u chung gi a các b x lý ng b hóa các b x lý khi th c thi các ch ng trình song song 2.4.1 Các thu t ng c n b n ¬ Phân h ach : là quá trình phân chia m t v n c n tính toán thành các ph n nh h n, m t vài hay t t c các ph n ó có th x lý song song ¬ Tác v : là n v do ng i l p trình tính toán sau... x lý song song áng k , và vi c che gi u c u trúc giao ti p t kh i ng i l p trình s ng minh gi a các máy tính song song ra em l i hi u n ng th c thi r t áng k 2.2.2 T ch c v t lý c a các n n t ng song song và phân b Trong ph n này chúng ta s ch mô t m t máy tính song song lý t là PRAM ng ây là m t cách m r ng t nhiên c a mô hình tính toán tu n t (Random Access Machine hay là RAM) bao g m p b x lý và. .. theo dõi, qu ng cáo và k t xu t báo cáo Thi t k các nghi th c m ng cho vi c trao i p Trang 16 i và nh d ng thông Ch ng 2 Tính toán song song và phân b 2.1 Khái ni m Ngày nay trong khi công ngh ngày m t phát tri n thì nhu c u v t c tính toán c a các h th ng máy tính c ng ngày m t t ng cao Các l nh v c òi h i tính tóan hi u n ng cao nh là mô hình s và gi l p các v n c a khoa h c và công ngh Ngoài ra... thi t k phân t và hi n th th c hi n các ch ng h a máy tính Trong khi ó các nhóm nghiên c u khác ã k t h p các siêu máy tính l n l i v i nhau thành m t siêu máy tính o duy nh t, r i phân ph i các ph n c a m t ng d ng r t l n cho các máy tính trên m t m ng di n r ng, ví d nh máy tính gi l p các ng d ng t ng tác gi a ch t l ng và cánh qu t c a chân v t tàu…Thêm vào ó ph m vi c a các d án nghiên c u này... n ng tính toán gi ng nh cách mà ng i n hi n nay Trang 15 i ta s d ng 1.2 Nh ng thách th c i v i tính toán l H u h t các k thu t ph c t p bên d c ti p t c phát tri n Các môi tr Globus và Legion i i dành cho Grid hi n nay ang ng Grid m u t n t i gi ng nh các d án án EcoGrid thì ang nghiên c u cách th c qu n lý tài nguyên, và các kh i xây d ng nh v y ang t n t i trong trình qu n lý tài nguyên mang tính. .. ng th c s c a m ng máy tính, cùng v i c s ph n m m và tin h c phát tri n nó xa h n H th ng a b x lý (Multiprocessor Systems - MPs), Cluster, Grids là các ví d c a ki n trúc tính toán phân tán Trong MPs, các b x lý h p ch t ch v i nhau, thông qua b nh chia s chung và ck t ng truy n k t n i r t cao Ví d nh là PVPs (Parallel Vector Processors), chúng h u nh r t thích h p cho tính toán hi u n ng cao, nh... sau: 1 SIMD ng b và b t ng b Trong m t máy SIMD, t ng b x lý có th th c thi hay b qua các ch th c qu ng bá d a vào tr ng thái c c b c a nó hay nh ng i u ki n ph thu c vào d li u Tuy nhiên i u này có th d n n x lý m t vài tính toán i u ki n không hi u qu M t cách gi i quy t kh thi là s d ng phiên b n b t ng b c a S1IMD, c bi t n là SPMD (Single Program Multiple Data), trong ó t ng b x lý s ch y m t b... song) cho các b x lý, r i thu th p l i các k t qu tính toán vào k t qu toàn c c Các tính toán này có th là vi c hi n th hàng ngàn khung hình làm phim hay là gi l p vi c ki m tra và thi t k xây d ng th h ti p theo c a chip VLSI, hay nh trong công ngh sinh h c, ó là vi c c t l p hàng tr m ngàn chu i gen Trong khi MPs và Cluster ch là các h th ng domain n, th ng là trong m t n Grid i n toán bao g m các . thc đi vi tính toán li 16 Chng 2. Tính toán song song và phân b 17 2.1. Khái nim 17 2.2. Nn tng tính toán song song và phân b 18 2.2.1. Kin trúc x lý song song và phân b 18. dng cho các tính toán s lng ln, phân phi các tác v tính toán (thng là không song song) cho các b x lý, ri thu thp li các kt qu tính toán vào kt qu toàn cc. Các tính toán này. … s dng rng rãi. Chúng s đc dành riêng cho tính toán theo yêu cu, tính toán trên thông tin nhy cm, tính toán cng tác, và siêu tính toán, da trên c s ca khách hàng/nhà cung cp.