Tiểu luận môn điện toán lưới và đám mây GRID & CLOUD COMPUTING

Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN __________ BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC ĐIỆN TOÁN LƯỚI & ĐÁM MÂY ĐỀ TÀI GRID & CLOUD COMPUTING GVHD: PGS.TS. NGUYỄN PHI KHỨ HVTH: LÊ THÚC QUỐC ANH MSHV: CH1301002 TP HCM, 06/2014 Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 1 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ LỜI NÓI ĐẦU Trong vài năm qua, Công nghệ thông tin (IT) đã bắt đầu một mẫu hình mới - điện toán đám mây. Mặc dù điện toán đám mây chỉ là một cách khác để cung cấp các tài nguyên máy tính, chứ không phải là một công nghệ mới, nhưng nó đã châm ngòi một cuộc cách mạng trong cách cung cấp thông tin và dịch vụ của các tổ chức. Bên cạnh đó, rất nhiều thiết bị phần cứng mạnh phục vụ cho yêu cầu tính toán hiệu năng cao đã được tạo ra. Nhưng, do nhu cầu của con người là không giới hạn nên họ luôn thấy là chưa đủ, vì thể tính toán lưới đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu này. Tuy nhiên điểm chính yếu của lưới không phải là sức mạnh tính toán mà là tính thực tiễn, tính thực tiễn này thể hiện ở chỗ các lưới tính toán thường được tạo ra dựa trên việc tận dụng các nguồn tài nguyên bình thường, sẵn có mà không cần phải mua hoặc tạo ra một hạ tầng phần cứng mới. Do đó, tính toán lưới nổi lên như một phương tiện tập hợp tài nguyên tính toán chi phí thấp để giải quyết những bài toán lớn. Trong nội dung bài tiểu luận này, em xin giới thiệu tổng quan về tính toán lưới, sự ra đời cấu trúc của hệ thống tính toán lưới, bên cạnh đó là sự phát triển của điện toán đám mây. Từ đó có thể hiểu sâu sắc hơn về lĩnh vực tính toán lưới cũng như điện toán đám mây để có thể tìm hiểu và phát triển những ứng dụng sau này. Em xin chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Phi Khứ, và các thầy cô trong trường Đại học CNTT- ĐHQG TP HCM cùng các bạn bè đã giúp em hoàn thành tốt môn học này. Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 2 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ I. GIỚI THIỆU GRID COMPUTING: Tính toán lưới là một tập hợp các tài nguyên máy tính từ những vị trí khác nhau để đạt được chung một mục đích. Lưới có thể được hiểu như là hệ thống phân tán, không tương tác lẫn nhau và đảm nhiệm các tác vụ liên quan đến một số lượng dữ liệu lớn. Điều này giúp phân biệt giữa tính toán lưới và khái niệm các hệ thống siêu máy tính. Mặc dù tính toán lưới có thể phụ thuộc vào một phần mềm chuyên biệt nào đó, nhưng đa số các lưới dùng tính toán hiện nay đều đựa xây dựng dựa trên các thư viện phần mềm trung gian. Kích thước của lưới thường phụ thuộc vào mức độ tính toán của nó. Một lưới dùng cho tính toán phân tán có thể bao gồm nhiều mạng lưới kết nối lại để thực hiện những tác vụ lớn, phức tạp. Tính toán lưới hay tính toán phân tán đều có điểm chung đó là dạng đặc biệt của tính toán song song dựa trên hệ thống máy tính kết nối với nhau. 1. Khái niệm cơ bản: Tính toán lưới (Grid computing) là khái niệm về liên kết các tài nguyên phân tán để giải quyết các bài toán quy mô lớn. Các tài nguyên như supercomputers, clusters, cơ sở dữ liệu, đặc biệt các thiết bị khoa học (như radio telescopes) kết nối ở mức luận lý với nhau và biểu diễn như một tài nguyên chung cho người sử dụng. Hệ thống bao gồm phần cứng, phần mềm, đường truyền và hàng bao nhiêu thiết bị khác… trong những không gian thích hợp tạo một môi trường tính toán gọi là môi trường lưới. Môi trường bao gồm những cơ sở hạ tầng cực mạnh, những siêu máy chủ, những thiết bị lưu trữ lớn, những clusters, những phần mềm ứng dụng và sự quản trị hệ thống phức hợp. Tính toán lưới xử lý song song, phân chia thời gian với các thuật toán tối ưu xử lý phân bố tài nguyên tính toán, lưu trữ… Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 3 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ Hình minh họa hệ thống tính toán lưới. Nhân tố cơ bản của Grid là công nghệ phân tán các thiết bị tính toán – sử dụng công nghệ ảo hóa.Với công nghệ này, ta có thể chia sẻ tài nguyên và liên kết các tổ chức lại với nhau.Sự ảo hóa trong môi trường grid có nhiều cấp độ khác nhau. Mỗi cấp độ phụ thuộc vào phạm vi và tính đồng nhất của tổ chức. Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 4 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ Hình minh họa sự ảo hóa ở nhiều cấp độ. Tính toán lưới là một môi trường tính toán ảo nhằm cung cấp môi trường tính toán ảo duy nhất với hiệu năng cao cho người sử dụng. Trong môi trường lưới, nguồn tài nguyên được hình thành bằng cách kết hợp các nguồn tài nguyên lại nhỏ hơn, ít được sử dụng với nhau. Hạ tầng kết nối hệ thống máy tính, hệ thống mạng, hệ thống cơ sở dữ liệu được sở hữu và quản lý bởi nhiều tổ chức, cá nhân. Tính năng cơ bản của Grid là khả năng chạy một chương trình trên nhiều máy tính khác nhau. - Trung bình mỗi ngày, mỗi máy tính có thời gian trung ở trạng thái bận là 5%. - Grid cung cấp một khung làm việc (framework) để tận dụng những tài nguyên này và vì thế có thể tăng hiệu quả trong việc sử dụng các tài nguyên. Grid tận dụng các dung lượng đĩa cứng còn trống trong các máy tính để tập hợp thành một tài nguyên lưu trữ ảo trong mạng. Grid computing có khả năng kết hợp nhiều CPU cùng xử lý song song. Các chương trình chạy trên môi trường Grid sử dụng các thuật toán để phân chia công việc xử lý thành nhiều thành phần độc lập, mỗi CPU trên mỗi máy tính trong Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 5 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ mạng đảm nhận việc xử lý một hay nhiều thành phần đó. Khả năng xử lý song song của một chương trình trên mạng lưới phụ thuộc vào người thiết kế. Grid computing là tạo nên môi trường cộng tác rộng lớn, đồng nhất; mỗi môi trường đó được gọi là một tổ chức ảo. Chia sẻ tài nguyên bắt đầu với dữ liệu dạng tệp hay cơ sở dữ liệu. Lưới dữ liệu có thể mở rộng dữ liệu theo nhiều cách khác nhau. Những tài nguyên này được “ảo hóa” để giữ chúng đồng bộ trong một hệ thống mạng luới không đồng nhất; các tài nguyên đó gọi là các tài nguyên ảo. Grid còn có thể truy nhập đến những tài nguyên khác dưới dạng số hóa hoặc khả năng lưu trữ, băng thông … - Một người muốn tăng băng thông truy nhập Internet để thực hiện việc khai thác dữ có thể phân chia giữa các máy trong mạng grid có đường truyền Internet không phụ thuộc nhau. - Người sử dụng máy tính không cài đặt phần mềm bản quyền có thể sử dụng phần mềm bằng cách gửi công việc đến máy tính được cài phần mềm để yêu cầu xử lý. - Grid có thể chia sẻ những thiết bị, tài nguyên phức tạp như máy chuẩn đoán bệnh hay robot hỗ trợ phẫu thuật. Grid có thể thực hiện cân bằng tài nguyên trong các chương trình bằng cách lập lịch làm việc cho các công việc.Chức năng cân bằng có thể được thực theo 2 cách sau: - Những điểm quá tải được đưa đến những máy rỗi trên mạng lưới. - Nếu toàn mạng grid đã bận, những công việc có độ ưu tiên thấp được tạm ngừng nhường cho những công việc khác có độ ưu tiên cao. Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 6 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ Hình minh họa chức năng cân bằng trong lưới. Thông thường những hệ thống tính toán mạnh sử dụng phần cứng đắt tiền để tăng độ tin cậy - giá thành cho hệ thống cao. Một Grid có thể có thể là một hệ thống đáng tin cậy. Một mạng lưới gồm nhiều máy tính được phân bố khắp nơi, khi có một sự cố tại một nốt mạng nào đó trên mạng lưới, các điểm khác sẽ không bị ảnh hưởng. Khi một máy tính bị hỏng hóc, phần mềm quản lý trong Grid có thể tự động chuyển công việc xử lý từ máy này đến một máy khác. Việc ảo hóa tài nguyên và nhiều hệ thống hỗn hợp được tạo ra trên grid sẽ tạo nên quy mô rộng hơn, các thiết bị được phân phối nhiều hơn. Grid quản lý độ ưu tiên giữa các dự án. Trước đây, mỗi dự án quản lý riêng tài nguyên và chi phí của nó.Những tài nguyên đang rỗi trong khi các dự án khác gặp sự cố, cần thêm những tài nguyên khác. Lưới được xây dựng trên nền tảng kiến trúc mở và phân tầng. Trong mỗi tầng của lưới, các thành phần chia sẻ những thuộc tính chung và được bổ sung những tính năng mới mà không làm ảnh hưởng đến các tầng khác. Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 7 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ 2. So sánh với khái niệm siêu máy tính: Tính toán lưới hoặc tính toán phân tán nhìn chung là một dạng đặc biệt của tính toán song song dựa trên rất nhiều máy tính (với vi xử lý, khả năng lưu trữ, nguồn điện, và khả năng kết nối … ) kết nối thông qua một mạng thông qua một giao diện kết nối mạng để thực hiện những tính toán mang lại hiệu suất cao mà ít tốn kém hơn so với nhưng siêu máy tính được thiết kế cho một nhóm nhỏ nào đó. Điểm bất lợi của tính toán lưới là do bị phân tán vi xử lý và lưu trữ nên không có được sự kết nối tốc độ cao đồng đều giữa các vi xử lý và lưu trữ đó. Vì vậy tính toán lưới chỉ phù hợp với các tính toán có thể xử lý song song và có thể thực hiện tính toán độc lập mà không cần phải chuyển giao các kết quả giữa các vi xử lý. Ngoài ra cũng có nhiều khác biệt trong quá trình lập trình và triển khai giữa tính toán trên lưới và các siêu máy tính. Ví dụ muốn viết một phần mềm cho siêu máy tính thì phải tốn nhiều chi phí hơn vì siêu máy tính có hệ điều hành riêng và phải tốn nhiều chi phí có việc xử lý đồng thời. Còn nếu phần mềm đó có thể chia ra để hoạt động song song thì viết tính toán dựa trên lưới sẽ thuận lợi và ít tốn kém hơn nhiều. Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 8 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ 3. Kiến trúc của hệ thống grid computing: Grid được xây dựng trên nền tảng kiến trúc mở và phân tầng. Trong mỗi tầng của Grid, các thành phần chia sẻ những thuộc tính chung và được bổ sung những tính năng mới mà không làm ảnh hưởng đến các tầng khác. Hình minh họa kiến trúc 5 tầng của grid. a. Tầng ứng dụng (Application Layer)bao gồm các ứng dụng được phát triển trên môi trường lưới như: - Các ứng dụng sinh học, vật lý, thiên văn, tài chính… - Người sử dụngcó thể tương tác với lưới thông qua tầng ứng dụng một cách trong suốt mà khôngnhận biết được sự có mặt của các tầng khác trong lưới. b.Tầng kết nối (Connectivity Layer)Tầng này đóng vai trò rất quan trọng, nó gồm các giao thức xác thực và truyền thông. - Truyền thông bao gồm việc truyền thông tin, định tuyến và đặt tên. - Những giao thức này tương tự các giao thức IP, TCP, UDP trong bộ giao thứcTCP/IP và các giao thức tầng ứng dụng như DNS, OSPF, RSVP. c. Tầng kết hợp (Collective Layer) chứa các giao thức và dịch vụ cho phép giao tiếp giữa các tài nguyên trong mạng lưới. Một số dịch vụ chính: - Các dịch vụ thư mục (Directory Services) - Các dịch vụ cấp phát chung, lập lịch, môi giới (Co-allocation, Scheduling & Broker Services) - Các dịch vụ giám sát và dự báo (Monitoring and Diagnostic Services) - Các dịch vụ nhân bản dữ liệu (Data Replication Services) Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 9 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ - Các hệ thống hỗ trợ lập trình lưới (Grid-enable Programming Systems) d.Tầng tài nguyên (Resource Layer) Tầng này được xây dựng trên nền tảng sẵn có của tầng kết nối. Những giao thức trong tầng tài này sẽ gọi các chức năng trong tầng chế tác để truy cập và sử dụng các loại tài nguyên cục bộ. - Giao thức thông tin (Information protocol): cho phép lấy các thông tin về cấu trúc, tình trạng của một loại tài nguyên nào đó trong mạng lưới. - Giao thức quản lý (Management protocol): dùng để sắp xếp quản lý thứ tựcác truy cập đến các tài nguyên được chia sẻ. e.Tầng chế tác (Fabric Layer) Bao gồm các tài nguyên cục bộ phân tán trên mạng, chúng bị ràng buộc bởi cơ chế quản lý tài nguyên và Cơ chế thẩm tra. - Tài nguyên tính toán: cho phép kiểm soát, điều khiển việc thực thi công việc. - Tài nguyên lưu trữ: dùng để lấy về/tải lên các tập tin, cho phép đọc một phần tập tin hoặc chọn lọc dữ liệu từ tập tin ở xa. - Tài nguyên mạng: là môi trường mạng truyền thông. - Các kho mã nguồn: là nơi quản lý tất cả các loại tài nguyên và các phiên bản của mã nguồn. Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 10 [...]... tài nguyên trên lưới Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 13 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây II Gvhd: PGS.TS Nguyễn Phi Khứ GIỚI THIỆU CLOUD COMPUTING: 1 Khái niệm cơ bản: Thuật ngữ điện toán đám mây (cloud computing) xuất hiện bắt nguồn từ ứng dụng điện toán lưới (grid computing) trong thập niên 1990, tiếp theo là điện toán theo nhu cầu (utility computing) và phần mềm dịch... Trang 18 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS Nguyễn Phi Khứ Hình minh họa IaaS 6 Các kiểu đám mây (Cloud) : - Public Cloud: Các đám mây công cộng là các dịch vụ đám mây được người bán cung cấp Chúng được lưu trữ đầy đủ và được nhà cung cấp bởi đám - mây quản lý Private Cloud : Các đám mây riêng là các dịch vụ đám mây được cung cấp - trong doanh nghiệp Những đám mây này được doanh... Hybrid Cloud : Các đám mây lai là một sự kết hợp của các đám mây công cộng và riêng Những đám mây này thường do doanh nghiệp tạo ra và các trách nhiệm quản lý sẽ được phân chia giữa doanh nghiệp và nhà cung cấp đám mây công cộng Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 19 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS Nguyễn Phi Khứ Hình minh họa các loại đám mây 7 Bảo mật trên đám mây: ... (SaaS) Với điện toán đám mây, các tài nguyên điện toán như máy chủ có thể được định hình động hoặc cắt nhỏ từ cơ sở hạ tầng phần cứng nền và trở nên sẵn sàng thực hiện nhiệm vụ, hỗ trợ những môi trường không phải là điện toán lưới như Web ba lớp chạy các ứng dụng truyền thống hay ứng dụng Web 2.0 Hình minh họa điện toán đám mây Mô hình Điện toán đám mây là mô hình điện toán với sựcân bằng động và các tàinguyên... thống phòng ngừa và phát hiện xâm nhập cần phải có khả năng phát hiện các hoạt động thâm nhập ởmức máy ảo, bất chấp vị trí của máy ảo trong môi trường đám mây Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 20 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây III Gvhd: PGS.TS Nguyễn Phi Khứ KẾT LUẬN: Tiểu luận đã trình bày tóm tắt các nội dung chính trong tính toán lưới và điện toán đám mây Qua đó em đã... Trong Điện toán đám mây, người sử dụng truy cập các dịch vụ tính toán từ nhà cung cấp nào đó "trong đám mây" mà không cần phải có các kiến thức và kinh Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 14 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS Nguyễn Phi Khứ nghiệm về công nghệ đó cũng như không quan tâm đến các cơ sở hạ tầng phục vụ công nghệ đó Đặc tính của điện toán đám mây: -... thức sâu sắc hơn về môn học này, những đặc trưng, cũng như các cách phân tích để thiết kế một hệ thống điện toán lưới và điện toán đám mây Tuy nhiên do thời gian có hạn, nhận thức của học viên còn chưa sâu vì vậy nội dung tiểu luận chắc chắn còn những khiếm khuyết, rất mong được thầy giáo cùng các bạn đóng góp ý kiến để nhận thức của sinh viên về điện toán lưới cũng như điện toán đám mây được tốt hơn... đám mây được tốt hơn Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 21 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS Nguyễn Phi Khứ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Nguyễn Phi Khứ - Tập slide bài giảng về Điện toán lưới & đám mây [2] http://www.gridcomputing.com/ [3] http://www.tutorialspoint.com /cloud_ computing/ index.htm Hvth: Lê Thúc Quốc Anh - Mã số: CH1301002 Trang 22 ... dùng trảtiền cho dịch vụ và công suất màhọcần đúng theo nhu cầu 2 Ưu điểm của cloud computing: Điện toán đám mây đựa trên sự chia sẻ tài nguyên để đạt được sự gắn kết chặt chẽ giữa lợi ích kinh tế và nhu cầu sử dụng( giống như sử dụng điện) thông qua mạng máy tính Điện toán đám mây dựa trên sự tối ưu hóa hiệu quả của các tài nguyên được chia sẻ trong mạng Tài nguyên trên đám mây không chỉ chia sẻ cho... hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS Nguyễn Phi Khứ 4 Thành phần của hệ thống grid computing: a Cổng tương tác - Grid portal là một giao diện cho phép người dùng sửdụng các ứng dụng lưới, do đó lưới trở nên trong suốt với người dùng Hình minh họa Grid Portal b Thành phần bảo mật – Grid Security – Là cơ chế đảm bảo các hoạt động như xác thực, cấp quyền, bảo mật-toàn vẹn dữ liệu và tính . hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ LỜI NÓI ĐẦU Trong vài năm qua, Công nghệ thông tin (IT) đã bắt đầu một mẫu hình mới - điện toán đám mây. Mặc dù điện toán đám. bản: Thuật ngữ điện toán đám mây (cloud computing) xuất hiện bắt nguồn từ ứng dụng điện toán lưới (grid computing) trong thập niên 1990, tiếp theo là điện toán theo nhu cầu (utility computing) và phần. CH1301002 Trang 19 Bài thu hoạch môn học Điện toán lưới & Đám mây Gvhd: PGS.TS. Nguyễn Phi Khứ Hình minh họa các loại đám mây. 7. Bảo mật trên đám mây: - Điện toán đám mây tạo cho hoạt động vận