Mô hình tính toán lưới và ứng dụng giải một số bài toán trên đồ thị

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hà Thị Thúy MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƢỚI VÀ ỨNG DỤNG GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN TRÊN ĐỒ THỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG HÀ THỊ TH MƠ HÌNH TÍNH TỐN LƢỚI VÀ ỨNG DỤNG GIẢI MỘT SỐ BÀI TỐN TRÊN ĐỒ THỊ Chun ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐỒN VĂN BAN Thái Ngun - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan những kiến thức trình bày trong luận văn này là do tơi tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày lại theo cách hiểu của tơi. Trong q trình làm luận văn tơi có tham khảo các tài liệu có liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đó. Phần lớn những kiến thức tơi trình bày trong luận văn này chưa được trình bày hồn chỉnh trong bất cứ tài liệu nào. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Đồn Văn Ban, người thầy đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình cho tơi trong suốt q trình nghiên cứu khoa học và thực hiện luận văn này. Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo, cán bộ thuộc phòng Khoa học và Đào tạo, Trường Đại học Cơng nghệ thơng tin & Truyền thơng Thái Ngun, đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu. Và cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè - đồng nghiệp - những người đã ln bên cạnh tơi những lúc khó khăn nhất, động viên và khích lệ tơi trong cuộc sống và trong cơng việc. Tơi xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN LƢỚI 2 1.1 Giới thiệu về mơ hình tính tốn lưới 2 1.1.1 Q trình phát triển của tính tốn lưới 2 1.1.2 Khái niệm tính tốn lưới 4 1.1.3 Lợi ích của tính tốn lưới 6 1.1.4 Các dạng tài ngun trên lưới 9 1.1.5 So sánh tính tốn lưới với các cơng nghệ khác 12 1.2 Phân loại lưới 15 1.2.1 Lưới phòng ban (Departmental Grids) 15 1.2.2 Lưới doanh nghiệp (Enterprise Grids) 16 1.2.3 Lưới tồn cầu (Global Grids) 16 1.2.4 Lưới tính tốn (Compute Grids) 17 1.2.5 Lưới dữ liệu (Data Grids) 17 1.2.6 Lưới tiện ích (Utility Grids) 18 1.3 Vấn đề an tồn thơng tin và những thách thức đối với tính tốn lưới 18 1.3.1 An tồn thơng tin trong tính tốn lưới 18 1.3.2 Những thách thức với một lưới 20 1.4 Kết luận 20 CHƢƠNG 2. PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG TRÊN MƠI TRƢỜNG TÍNH TỐN LƢỚI 22 2.1 Cơ sở hạ tầng lưới 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 2.1.1 Portal/Giao diện người dùng 22 2.1.2 An tồn và bảo mật (Security) 23 2.1.3 Bộ mơi giới tài ngun (Broker) 23 2.1.4 Bộ lập lịch (scheduler) 23 2.1.5 Thành phần quản lý dữ liệu (Data management) 24 2.1.6 Thành phần quản lý cơng việc và tài ngun (Job and resource management) 24 2.1.7 Các thành phần khác 24 2.2 Kiến trúc của một lưới 25 2.2.1 Bản chất kiến trúc 25 2.2.2 Kiến trúc lưới tổng qt 27 2.2.3 Các chuẩn đối với tính tốn lưới 32 2.3 Một số mơi trường và cơng cụ hỗ trợ tính tốn lưới 38 2.3.1 Alchemi 39 2.3.2 Globus 40 2.3.3 Legion 47 2.3.4 UNICORE 48 2.4 Các vấn đề khi lập trình trên lưới 51 2.4.1 Các u cầu đối với lập trình trên lưới 51 2.4.2 Các vấn đề cần quan tâm khi lập trình trên lưới 53 2.5 Kết luận 60 CHƢƠNG 3. GIẢI MỘT SỐ BÀI TỐN ĐỒ THỊ TRÊN MƠI TRƢỜNG LƢỚI 61 3.1 Các khái niệm cơ bản 61 3.1.1 Đồ thị 61 3.1.2 Đường đi 62 3.2 Thuật tốn Dijkstra 63 3.2.1 Thuật tốn tuần tự 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 3.2.2 Song song thuật tốn Dijkstra trên lưới 63 3.2.3 Thực nghiệm chương trình 64 3.3 Thuật tốn tơ mầu đồ thị 66 3.3.1 Thuật tốn tuần tự 67 3.3.2 Song song trên lưới 67 3.3.3 Thực nghiệm chương trình 68 3. 4 Kết luận 70 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên đầy đủ Chú giải API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng CMM Common Management Model Quản lý chung mẫu CORBA Common Object Request Broker Architecture u cầu chung kiến trúc đối tượng mơi giới CPU Center Processing Unit Bộ xử lý trung tâm DAP Directory Access Protocol Giao thức đặc tả các kỹ thuật định danh đối tượng, tìm kiếm và ghi các khoản mục dữ liệu DCOM Digital Computer Thiết bị khơng dây DNS Domain Name System Hệ thống phân giải tên miền FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tệp qua mạng TCP GGF Global Grid Forum Diễn đàn lưới tồn cầu GRAM Globus Resource Allocation Management Dịch vụ quản lý và định vị tài ngun lưới GridFTP Grid File Transfer Protocol GridFTP là mở rộng của giao thức FTP, tích hợp khả năng bảo mật lưới, truyền dữ liệu tốt hơn so với FTP GSH Grid Service Handle Lưới dịch vụ xử lý GSR Grid Service Reference Lưới dịch vụ tham khảo GSS-API Generic Security Service Application Program Interface Giao diện lập trình ứng dụng dịch vụ bảo mật chung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ GT Globus Toolkit Bộ cơng cụ được phát triển bởi Globus Alliance, dùng đê phát triên các ứng dụng lưới GTCP Grid Telecontrol Protocol Giao thức điều khiển lưới từ xa GUI Graphical User Interface Giao diện người dùng đồ họa HPC High Performance Computing Tính tốn hiệu năng cao HTML Hyper Text Markup Language Ngơn ngữ hiển thị siêu văn bản HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản IBM International Business Machines tập đồn cơng nghệ máy tính đa quốc gia có trụ sở tại Armonk, New York, Mỹ ICMP Internetwork Control Message Protocol Giao thức điều khiển truyền tin trên mạng IDB Installation Database Thơng số cần khai báo về cơ sở dữ liệu IP Internet Protocal Giao thức Internet IT Information Technology Cơng nghệ thơng tin J2EE Java 2 Enterprise Edittion Java doanh nghiệp phiên bản 2 JMC Job Monitor Component Cấu tạo màn hình cơng việc LAN Local Area Network Mạng cục bộ MDS Monitoring and Discovery Service Giám sát dịch vụ NCSA National computer security association Hiệp hội an ninh máy tính quốc gia Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ NET Network Mạng lưới NFS National Science Foundation Quỹ khoa học quốc gia NJS Network Job Supervisors Mạng lưới giám sát cơng việc OGSA Open Grid Service Architecture Kiến trúc dịch vụ lưới OGSI Open Grid Service Infrastructure Hạ tầng dịch vụ lưới mở OSPF Open Shortest Path First Giao thức tìm đường ngắn nhất đầu tiên PC Personal Computer Máy tính cá nhân PU Processing Unit Đơn vị xử lý PVM Parallel Virtual Machine Song song máy ảo QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RFT Reliable File TransferService Dịch vụ truyền file tin cậy RLS Replica Location Service Dịch vụ định vị bản sao trong kiến trúc lưới dữ liệu Globus, cho phép xác định vị trí của các bản sao của thực thể dữ liệu trong lưới. RMI Remote Method Invocation Gọi phương thức từ xa RPC Remote Procedure Call Lời gọi hàm xa SAML Security Assertion Markup Language Ngơn ngữ đánh dấu liên kết an tồn SDK Software Development Kit Tập cơng cụ hỗ trợ phát triển phần mềm [...]... tốn của lưới: Cách đơn giản nhất là chạy các ứng dụng hiện có trên một nút của lưới thay vì chạy trên máy tính cục bộ 10 Thiết kế ứng dụng, tách các cơng việc thành các phần riêng rẽ để có thể thực thi song song trên nhiều bộ xử lý khác nhau trên nhiều nút khác nhau của lưới Chạy ứng dụng thực thi nhiều lần trên nhiều nút khác nhau trong lưới 2/ Tài ngun lƣu trữ Tài ngun phổ biến thứ nhì trong lưới là... các lợi ích của một lưới tính tốn Đồng thời cũng nêu các vấn đề về an tồn thơng tin và thách thức trên lưới Qua đó thấy rằng, để xây dựng và phát triển được các ứng dụng trên một lưới 21 tính tốn cần phải có cơ sở hạ tầng về phần cứng và phần mềm, trong đó quan trọng là cơ sở hạ tầng về phần mềm Hiện tại, đã có rất nhiều bộ cơng cụ phần mềm là mơi trường hỗ trợ cho việc triển khai một lưới, các vấn đề... lưới Chƣơng 3: Giải một số bài tốn đồ thị trên mơi trường lưới Kết luận, hƣớng phát triển và tài liệu tham khảo được trình bày ở phần cuối của luận văn 2 CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN LƢỚI 1.1 Giới thiệu về mơ hình tính tốn lƣới 1.1.1 Q trình phát triển của tính tốn lưới Cũng như các cơng nghệ tính tốn khác, tính tốn lưới (Grid Computing) ra đời xuất phát từ nhu cầu tính tốn của con người... chẳng hạn lưới BIRN (lưới ngồi) Tính tốn lưới cũng hấp dẫn đối với các doanh nghiệp thương mại lớn với các bài tốn phức tạp, đây là các tổ chức ln cố gắng tận dụng các tài ngun tính tốn bên trong một cách hiệu quả nhất (lưới nội bộ) Mỗi tác giả khi đưa ra định nghĩa đều ứng trên một số quan niệm nhất định Để có cái nhìn tồn diện về tính tốn lưới, ta khơng đưa ra một định nghĩa cụ thể nào, thay vào đó... Mạng lưới tồn cầu Extensible Markup Language Là một cách thức linh động để tạo ra các định dạng thơng tin và chia sẻ cả định dạng và dữ liệu trên web XML Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Hình 1.2 Mơ hình tính tốn lưới Tài ngun lưới dưới quan điểm của người dùng là một khối thống nhất có được nhờ sự ảo hố 5 12 Hình 2.1 Kiến trúc lưới tổng qt 27 Hình. .. quan hệ giữa OGSA và OGSI 33 Hình 2.3 Kiến trúc của Alchemi 40 Hình 2.4 Mơ hình hệ thống hướng dịch vụ web 41 Hình 2.5 Mơ hình kiến trúc hoạt động của UNICORE 49 Hình 3.1 Cung (u, v) 61 Hình 3.2 Cạnh (u, v) 61 Hình 3.3 Biểu diễn khun 61 Hình 3.4 Đồ thị G cho trước 62 Hình 3.5 Giao diện chương trình trên máy server - thuật tốn Dijkstra 65 Hình 3.6 Hướng dẫn sử dụng các chức năng chính 65 Hình 3.7 Giao diện... để đưa vào mơi trường lưới và cần được xem xét khi thiết kế và cài đặt ứng dụng Ví dụ: Các tiện ích như liên lạc giữa các tiến trình (Inter Process Communication) và các dịch vụ hỗ trợ tính tốn chi phí và chi trả là những tiện ích được u cầu nhiều nhất Trên đây là giới thiệu vắn tắt và tổng quan về các thành phần chính của mơi trường lưới Tuỳ thuộc vào việc triển khai lưới và các u cầu của ứng dụng, ... của tính tốn lưới đặt ra (các u cầu về chia sẻ tài ngun phân tán) tuy nhiên tính tốn lưới hiện nay chính thức giải quyết các vấn đề đó một cách tập trung và bài bản hơn với một ngữ cảnh rộng hơn rất nhiều 1.2 Phân loại lƣới Lưới thường được cài đặt ở nhiều dạng khác theo ứng dụng cụ thể hoặc theo cấu trúc của tổ chức ảo tham gia lưới hoặc theo tính chất của tài ngun được chia sẻ Sau đây là một số dạng... mình lên để thực hiện một ứng dụng khai thác dữ liệu, ứng dụng đó có thể được gửi đến nhiều máy tính trong lưới có các kết nối Internet riêng, từ đó băng thơng truy cập Internet của anh ta tăng lên rất nhiều lần 5/ Tăng tính tin cậy cho các hệ thống máy tính Hiện nay, các hệ thống tính tốn sử dụng các phần cứng chun dụng, đắt đỏ để tăng độ tin cậy Ví dụ, một máy tính có thể sử dụng các bộ vi xử lý đơi,... phần cứng máy tính, mạng đã giúp cho các mơ hình tính tốn lưới ngày càng được ứng dụng để thực hiện được nhiều điều hơn những ý tưởng trước đây 1.1.2 Khái niệm tính tốn lưới Trong mỗi giai đoạn phát triển, mỗi tổ chức, cá nhân tùy theo quan điểm và thực tế xây dựng hệ thống của mình mà đưa ra các định nghĩa khác nhau về tính tốn lưới Dưới đây, luận văn xin trình bày một số định nghĩa về tính tốn lưới . về công nghệ tính toán lưới Chƣơng 2: Phát triển ứng dụng trên môi trường tính toán lưới Chƣơng 3: Giải một số bài toán đồ thị trên môi trường lưới Kết luận, hƣớng phát triển và tài liệu tham. CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hà Thị Thúy MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƢỚI VÀ ỨNG DỤNG GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN TRÊN ĐỒ THỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH . THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN LƢỚI 1.1 Giới thiệu về mô hình tính toán lƣới 1.1.1 Quá trình phát triển của tính toán lưới Cũng như các công nghệ tính toán khác, tính toán lưới (Grid Computing)