Nghiên cứu tính toán lưới thử nghiệm một số thuật toán lí thuyết đồ thị

Nghiên cứu tính toán lưới thử nghiệm một số thuật toán lí thuyết đồ thị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM HUỲNH BÁ THANH TÙNG TRẦN VIỆT CƯỜNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ KHOÁ LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC TP. HCM, NĂM 2005 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM HUỲNH BÁ THANH TÙNG - 0112079 TRẦN VIỆT CƯỜNG - 0112339 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS. TRẦN ĐAN THƯ Th.S NGUYỄN THANH SƠN NIÊN KHÓA 2001-2005 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI CẢM ƠN Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Thầy Trần Đan Thư và th ầy Nguyễn Thanh Sơn, hai Thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Chúng con xin gửi tất cả lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng đến ông bà, cha mẹ, cùng toàn thể gia đình, những người đã nuôi dạy chúng con trưởng thành đến ngày hôm nay. Chúng em cũng xin chân thành cám ơn quý Thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, hướng d ẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em thực hiện tốt luận văn này. Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ, động viên và chỉ bảo rất nhiệt tình của các anh chị và tất cả các bạn, những người đã giúp chúng tôi có đủ nghị lực và ý chí để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn luận văn không khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô và các bạn. TP.HCM, 7/2005 Nhóm sinh viên thực hiện Huỳnh Bá Thanh Tùng - Trần Việt Cường LỜI NÓI ĐẦU Nhân lọai ngày nay đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành Công nghệ Thông tin, một trong những nghành mũi nhọn của nhiều quốc gia trên thế giới. Sự phát triển vượt bậc của nó là kết quả tất yếu của sự phát triển kèm theo các thiết bị phần cứng cũng như phần mềm tiện ích. Sự phát triển đó đã kéo theo rất nhiều nghành khác phát triền theo, trong đó có lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Tuy công nghệ ngày càng phát triển, tốc độ xử lý của các thiết bị cũng không ngừng tăng cao, nhưng nhu cầu tính toán của con người vẫn còn là rất lớn. Hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề mà các nhà khoa học cùng với khả năng tính toán của các máy tính hiện nay vẫn chưa giải quyết được hay giải quyết được nhưng với thời gian rất lớn. Các vấn đề đó có thể có thể là : • Mô hình hóa và giả lập • Xử lý thao tác trên các dữ liệu rất lớn • Các vấn đề “grand challenge” (là các vấn đề không thể giải quyết trong thời gian hợp lý) Lời giải cho những vấn đề này đã dẫn đến sự ra đời của các thế hệ siêu máy tính. Tuy nhiên việc đầu tư phát triển cho các thiết bị này gần như là điều quá khó khă n đối với nhiều người, tổ chức, trường học…. Chính vì lẽ đó mà ngày nay người ta đang tập trung nghiên cứu cách cách sử dụng các tài nguyên phân bố một cách hợp lý để tận dụng được khả năng tính toán của các máy tính đơn. Những giải pháp này được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau như meta-computing, salable-computing, global- computing, internet computing và gần nhất hiện nay là peer to peer computing hay Grid computing. Đây là phương pháp nhằm tận dụng khả năng của các máy tính trên toàn mạng thành một máy tính “ảo” duy nhất, nhằm hợp nhất tài nguyên tính toán ở nhiều nơi trên thế giới để tạo ra một khả năng tính toán khổng lồ, góp phần giải quyết các vấn đề khó khăn trong khoa học và công nghệ. Ngày nay nó đang càng được sự hỗ trợ mạnh hơn của các thiết bị phần cứng, băng thông… Grid Computing có khả năng chia sẻ, chọn lựa, và thu gom một số lượng lớn những tài nguyên khác nhau bao gồm những siêu máy tính, các hệ thống lưu trữ, cùng với những nguồn dữ liệu, các thiết bị đặt biệt… Những tài nguyên này được phân bố ở các vùng địa lý khác nhau và thuộc về các tổ chức khác nhau. Hình ảnh minh họa cho các tài nguyên phân phối Nhận thấy được nhu cầu phát triển ấy, nhóm chúng em đã quyết định chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật toán lý thuyết đồ thị” Mục tiêu của đề tài đề ra tìm hiểu được về tính toán lưới qua đó tận dụng các kiến thức có được để có thể cài đặt một số thuật toán trên lý thuyế t đồ thị, nhằm có thể giải quyết các vấn đề tìm đường đi khi số đỉnh tương đối lớn… Các nội dung chính: • Nghiên cứu tính toán lưới • Tìm hiểu các môi trường hỗ trợ • Tìm hiểu lập trinh song song và phân tán • Cài đặt một số thuật toán với kiến thức có được Nội dung của luận văn được chia làm 6 chương : Chương 1. Giới thiệu : Giới thiệu tổng quan về tính toán lưới, khái niệm lịch sử phát triển. Chương 2. Tính toán song song và phân bố : Trình bày về các kiến trúc, mô hình xử lý song song và phân bố, cách thức xây dựng chương trình, thiế t kế thuật toán… Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới : Tìm hiểu về các môi trường đang được sử dụng và nghiên cứu hiện nay trên thế giới. Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI : Mô hình cụ thể được dùng để phát triển ứng dụng MPI. Chương 5. Thử nghiệm các thuật toán lý thuyết đồ thị : Cách thức xây dựng chương trình , các khái niệm lý thuyết, thực nghiệm thực tế … Chương 6. Kết luận – Hướng phát triển : Nêu các kết quả đã đạt được, một số vấn đề còn tồn tại, định hướng mục tiêu mở rông phát triển đề tài trong tương lai. Mục lục Chương 1. Giới thiệu . 14 1.1. Các khái niệm 14 1.2. Những thách thức đối với tính toán lưới 17 Chương 2. Tính toán song song và phân bố 18 2.1. Khái niệm . 18 2.2. Nền tảng tính toán song song và phân bố . 19 2.2.1. Kiến trúc xử lý song song và phân bố . 19 2.2.2. Tổ chức vật lý của các nền tảng song song và phân bố . 26 2.3. Một số mô hình lập trình song song thông dụng . 27 2.3.1. Mô hình chia sẽ không gian bộ nhớ . 27 2.3.2. Mô hình truyền thông điệp 28 2.4. Cách thức xây dựng một chương trình song song và phân bố . 30 2.4.1. Các thuật ngữ căn bản 31 2.4.2. Thiết kế thuật toán song song 33 2.4.3. Một số phương pháp tối ưu 46 2.4.4. Các mô hình thuật toán song song . 50 Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới . 55 3.1. Giới thiệu 55 3.2. Các vấn đề khi lập trình luới 56 3.2.1. Tính mang chuyển, tính khả thi và khả năng thích ứng . 56 3.2.2. Khả năng phát hiện tài nguyên 57 3.2.3. Hiệu năng . 57 3.2.4. Dung lỗi . 58 3.2.5. Bảo mật 58 3.2.6. Các siêu mô hình 59 3.3. Tồng quát về các môi trường hỗ trợ 59 3.3.1. . 59 Một số môi trường Grid 3.3.2. Những mô hình lập trình và công cụ hỗ trợ . 63 3.3.3. Môi trường cài đặt . 69 3.4. Những kỹ thuật nâng cao hỗ trợ lập trình 81 3.4.1. Các kỹ thuật truyền thống 81 3.4.2. Các kỹ thuật hướng dữ liệu 82 3.4.3. Các kỹ thuật suy đoán và tối ưu . 83 3.4.4. Các kỹ thuật phân tán . 83 3.4.5. Nhập xuất hướng Grid . 84 3.4.6. Các dịch vụ giao tiếp cấp cao 84 3.4.7. Bảo mật 86 3.4.8. Dung lỗi . 86 3.4.9. Các siêu mô hình và hệ thống thời gian thực hướng Grid . 88 3.5. Kết luận 89 Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI 91 4.1. Các khái niệm cơ bản 92 4.2. Cấu trúc chương trình MPI 95 4.3. Trao đổi thông tin điểm-điểm . 96 4.3.1. Các thông tin của thông điệp . 97 4.3.2. Các hình thức truyền thông 97 4.3.3. Giao tiếp blocking 99 4.3.4. Giao tiếp non-blocking 103 4.4. Trao đổi thông tin tập hợp 109 4.4.1. Đồng bộ hóa . 109 4.4.2. Di dời dữ liệu trong nhóm . 109 4.4.3. Tính toán gộp . 113 4.5. Các kiểu dữ liệu . 118 4.5.1. Những kiểu dữ liệu đã được định nghĩa 118 4.5.2. Các kiểu dữ liệu bổ sung 119 [...]... thể là ít đồng bộ hay là hoàn toàn bất đồng bộ 2.4 Cách thức xây dựng một chương trình song song và phân bố Phát triển thuật toán là một phần quan trọng trong việc giải quyết vấn đề khi sử dụng máy tính Một thuật toán tuần tự về cơ bản là một phương pháp thực hiện hay là một chuỗi tuần tự những bước cơ bản để giải quyết một vấn đề được đặt ra bằng cách sử dụng máy tính tuần tự Tương tự, một thuật tóan... phân tử và hiển thị đồ họa máy tính Trong khi đó các nhóm nghiên cứu khác đã kết hợp các siêu máy tính lớn lại với nhau thành một siêu máy tính ảo duy nhất, rồi phân phối các phần của một ứng dụng rất lớn cho các máy tính trên một mạng diện rộng, ví dụ như máy tính giả lập các ứng dụng như tương tác giữa chất lõng và cánh quạt của chân vịt tàu…Thêm vào đó phạm vi của các dự án nghiên cứu này đã nêu... 5-2 : Thuật toán Dijkstra song song 135 Hình 5-3 Thuật toán Prim tuần tự 141 Hình 5-3 : Thuật toán Prim song song 142 Hình 5-4: Thuật toán Bellman-Ford tuần tự 145 Hình 5-5 : Thuật toán Bellman-Ford song song 149 Chương 1 Giới thiệu 1.1 Các khái niệm Trong những năm đầu thập niên 90, nhiều nhóm nghiên cứu đã bắt đầu khai thác các nguồn tài nguyên tính toán. .. là một thể hiện sự phụ thuộc giữa các tác vụ và trật tự thực hiện giữa chúng Một đồ thị phụ thuộc là một đồ thị có hướng trong đó mỗi nút của cây là một tác vụ và cạnh có hướng thể hiện sự phụ thuộc giữa chúng Một tác vụ chỉ được thực hiện khi các tác vụ trước nó (có cạnh nối) được thực hiện Trong đồ thị phụ thuộc tập hợp cạnh có thể rỗng Trang 31 Hình 2-8 : Đồ thị phụ thuộc tác vụ Granularity : số. .. cha của tập hợp cạnh của đồ thị phụ thuộc Hình 2-9 :Đồ thi tương tác trong bài toán nhân ma trận với vector Trang 32 2.4.2 Thiết kế thuật toán song song Phân chia một công việc tính toán thành các phần nhỏ hơn và ánh xạ chúng vào các bộ xử lý khác nhau để thực hiện song song là 2 bước cơ bản trong vịêc thiết kế một thuật tóan song song 2.4.2.1 Một số phương pháp phân hoạch Một trong những bước cơ bản... là một phương pháp giải quyết vấn đề dựa trên việc sử dụng nhiều bộ xử lý Tuy nhiên, để chỉ ra được một thuật tóan song song không đơn giản như là chỉ ra từng bước cụ thể Mà là ở một mức độ nào đó, một thuật tóan song song phải được thêm vào tính đồng thời và người thiết kế ra thuật toán cũng phải chỉ ra tập hơp những bước có thể xử lý đồng thời Điều này nhằm tận dụng được khả năng tính Trang 30 toán. .. xây dựng một bộ xử lý song song từ một số lượng nhỏ các bộ xử lý mạnh mẽ hay từ một số lượng rất lớn các bộ xử lý bình thường (một “bầy voi” hay là một “đàn kiến”) thì cách nào sẽ hiệu quả hơn ? Theo luật của Amdahl thì cách đầu tiên thích hợp hơn cho những phần tuần tự của một tính toán, trong khi cách tiếp cận thứ hai sẽ làm tăng tốc hơn nữa những phần mang tính song song Không thể đưa ra một câu... của bước phân họach Bước phân họach một vấn đề lớn thành một số lượng lớn các vấn đề nhỏ được gọi là finegrained và thành một số lượng nhỏ các vấn đề lớn đựơc gọi là coarsegrained Đồ thị tương tác : là mô hình thể hiện sự tương tác giữa các tác vụ Các nút trong đồ thị tương tác thế hiện các tác vụ còn các cạnh nối thể hiện tưong tác giữa chúng Các cung trong đồ thị tương tác thường là cung vô hướng... những bước cơ bản mà chúng ta cần làm để giải quyết một vấn đề theo hướng song song là phân chia những phép tính toán muốn thực hiện thành môt tập hợp các tác vụ nhỏ hơn để xử lý đồng thời như trong đồ thị phụ thuộc tác vụ Trong phần này chúng ta sẽ mô tả một vài kỹ thuật phân họach phổ biến cho xử lý đồng hành Các kỹ thuật này không phải là tất cả các kỹ thuật phân họach có thể có Thêm vào đó, những phương... bản chất, những grid có một độ phức tạp cao hơn, đặc biệt là ở tầng trung gian, trong việc thực thi, quản lý, và sử dụng các tài nguyên tính toán phân tán, và ở tầng ứng dụng là việc thiết kế, phát triển, chạy các phần mềm để triển khai grid một cách hiệu quả Tóm lại Grid là một kiến trúc tính toán phân tán cho phép chuyển giao các tài nguyên lưu trữ và tính toán như thể là một dịch vụ trên Internet . đề tài Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật toán lý thuyết đồ thị Mục tiêu của đề tài đề ra tìm hiểu được về tính toán lưới qua. TRẦN VIỆT CƯỜNG - 0112339 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC