Giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán trong máy ảo dựa trên kỹ thuật mã mạng (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẶNG HÙNG VĨ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP TÀI NGUYÊN CHO HỆ PHÂN TÁN TRONG MÁY ẢO DỰA TRÊN KỸ THUẬT MÃ MẠNG CHUN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 62.48.01.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG, 2020 Cơng trình hồn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: 1) PGS TS Lê Văn Sơn 2) PGS TSKH Nguyễn Xuân Huy Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Đà Nẵng họp tại: Đại học Đà Nẵng Vào hồi ngày tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Các nghiên cứu cung cấp chia sẻ tài nguyên nhằm đảm bảo hoạt động thơng xuốt cho tiến trình diễn bên máy tính Hệ phân tán sử dụng giải pháp thuật toán khắc phục hạn chế hệ tập trung Để giải nhược điểm truyền thông, hệ phân tán thay phương thức truyền unicast phương thức truyền multicast Luận án tập trung nghiên cứu, xây dựng cung cấp tài nguyên truyền thông để trao đổi thông điệp máy chủ Giải pháp nghiên cứu Luận án lưu lượng thông tin định tuyến mạng mã mạng (Network Coding) nhằm tối ưu truyền multicast Nghiên cứu Luận án nhằm mục đích tối ưu hóa truyền thơng máy ảo dựa kỹ thuật mã mạng đảm bảo cung cấp tài nguyên cho ứng dụng hệ phân tán Trên sở nghiên cứu triển khai cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán máy ảo nhiều yếu tố kỹ thuật để xây dựng phát triển; giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán máy ảo dựa kỹ thuật mã mạng vấn đề cần thiết nghiên cứu giai đoạn Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu cụ thể: − Nghiên cứu, đề xuất giải pháp, thuật toán điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán − Nghiên cứu, đề xuất giải pháp, thuật toán tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán triển khai máy ảo dựa kỹ thuật mã mạng 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu, xây dựng giải pháp đảm bảo cung cấp tài nguyên dùng chung cho người sử dụng hệ phân tán tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán hệ thống ảo hóa dựa kỹ thuật mã mạng Phương pháp nghiên cứu Luận án tập trung tiếp cận phương pháp: − Phương pháp lý thuyết: tìm kiếm, thu thập tài liệu, kết nghiên cứu công trình cơng bố, tạp chí, hội nghị, hội thảo nước − Phương pháp thực nghiệm khoa học: sử dụng công cụ mơ để thực nghiệm giải pháp, thuật tốn Ý nghĩa khoa học thực tiễn Những đóng góp Luận án mặt khoa học thực tiễn sau: - Đề xuất song song hóa cải tiến thuật toán Lamport thuật toán 4PCoDT đảm bảo tính gắn bó hệ phân tán - Đề xuất hai thuật tốn thêm liên kết xóa liên kết nhằm rút gọn multicast song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson để tìm luồng cực đại Giải pháp truyền thông multicast kết hợp với mã mạng triển khai hệ thống máy chủ ảo nhằm phòng tránh tắc nghẽn, tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán Cấu trúc Luận án Bố cục Luận án chia thành ba chương: Chương trình bày tổng quan cung cấp tài nguyên, nguyên lý điều khiển cung cấp tài nguyên Chương trình bày nghiên cứu giải pháp cung cấp tài nguyên hệ phân tán Chương trình bày giải pháp tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông hệ phân tán dựa kỹ thuật mã mạng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CUNG CẤP TÀI NGUYÊN 1.1 Điều khiển việc cung cấp tài nguyên 1.1.1 Các khái niệm vấn đề sở tài nguyên Tài ngun máy tính Tài ngun truyền thơng Tài ngun Điện tốn Đám mây Tài ngun khái qt hóa sau: Tài nguyên nguồn (phần cứng, phần mềm, liệu, băng thông, thiết bị vào/ra, dịch vụ, …) cung cấp cho máy tính hoạt động cung cấp hoạt động ứng dụng cho người dùng Khái niệm cung cấp tài nguyên phát biểu sau: Cung cấp tài ngun đóng vai trị điều phối, điều khiển tài nguyên sẵn có nhằm tối ưu cho nhiều mục đích khác thơng qua giải thuật, thuật toán chiến lược cung cấp Hiệu hệ thống cung cấp tài nguyên phải xử lý cách tối ưu tránh trường hợp tương tranh, bế tắc Người dùng đăng ký tài nguyên dùng chung trực tuyến SS22 Internet/Intranet SS33 SS11 = == === SSii SSnn Hình Mơ hình tổng quan kết nối hệ phân tán 1.1.2 Nguyên lý giải pháp cung cấp tài nguyên Trước triển khai ứng dụng thiết phải mô tả chi tiết tài nguyên pha thiết kế để xây dựng điều khiển cung cấp tối ưu tài ngun Hình mơ tả tập máy chủ kết nối qua môi trường truyền thông 1.1.3 Bộ cung cấp tài nguyên Bộ cung cấp tài nguyên phân tán RADS hoạt động dựa thuật tốn cung cấp tất tài ngun sẵn có Hình Kiến trúc truyền thống kiến trúc ảo hóa Dựa vào hệ thống ảo hóa theo Hình 2.b, đám mây cung cấp dịch vụ cho người sử dụng thơng qua máy ảo Tóm lại, điều khiển cung cấp tài nguyên hệ thống máy chủ ảo đảm bảo tối ưu trình cung cấp tài nguyên cho ứng dụng nhằm tăng hiệu hệ thống đám mây 1.2 Các nghiên cứu liên quan 1.2.1 Các nghiên cứu liên quan đến điều khiển cung cấp tài nguyên hệ phân tán 1.2.1.1 Các thuật tốn truyền thơng hệ phân tán Nhiều phương thức truyền multicast phát triển triển khai, tất phân loại thuộc lớp sau: − − − − Thuật toán truyền thơng dựa vào lịch sử Thuật tốn dựa quyền ưu tiên Thuật toán di chuyển Thuật toán di chuyển đảm bảo trật tự toàn phần 1.2.1.2 Vấn đề kỹ thuật mã mạng điều khiển cung cấp tài nguyên truyền thông Hướng nghiên cứu Luận án đưa mơ hình tối ưu hóa đề xuất thuật tốn thích nghi, điều khiển tỷ lệ phân tán cho mã mạng dựa dòng multicast Bên cạnh đó, giải pháp tối ưu truyền thơng multicast với mã mạng thơng tin tập đích tránh trùng lặp đạt thông lượng tối ưu Giải pháp thực multicast xây dựng lại tô pô kết hợp kỹ thuật mã mạng để thơng lượng đạt cực đại tập đích Các thuật toán nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá mở rộng để điều khiển truyền thông điệp nhiều ứng dụng khác 1.2.1.3 Vấn đề kỹ thuật nhãn thời gian lơ gíc Trật tự phần ảnh hưởng đến hoạt động tổng quát hệ phân tán, hai vấn đề bị tác động là: Giá trị đồng hồ lơ gic máy chủ không quán; Tiến trình yêu cầu vào miền găng dựa vào tương hỗ nhờ dấu theo Hình Tiến trình yêu cầu vào miền găng phải chờ đợi nhận đủ thơng điệp gây ảnh hưởng đến máy chủ khác sai lệch tiến hành cập nhật liệu Để giải toán trật tự phần, Luận án song song hóa thuật tốn Lamport để xây dựng trật tự tổng quát chặt chẽ máy chủ Hình Loại trừ tương hỗ nhờ dấu 1.2.1.4 Vấn đề kỹ thuật cung cấp tài nguyên dùng chung hệ phân tán Thuật toán 3PC khác với thuật tốn 2PC có thêm pha tiền ủy thác trước ủy thác Nhược điểm 3PC giao dịch ủy thác khơng khóa (non-blocking), bên cạnh q trình trao đổi thơng điệp q nhiều để khôi phục độc lập liệu dẫn đến chi phí tài ngun truyền thơng cao Theo tác giả Kumar trình bày so sánh thuật tốn 2PC 3PC thể qua Bảng Bảng So sánh 2PC 3PC pha pha x x thấp 4(n – 1) thấp 2n O(n2) thấp Khó khăn Loại giao dịch Pha bầu chọn Pha tiền ủy thác Pha ủy thác Khóa giao dịch Trao đổi thơng điệp Chi phí truyền thơng Ghi log Độ phức tạp Hiệu Áp dụng cho giao dịch phân tán pha pha mở rộng x x x cao 5(n – 1) cao 2n O(n3) cao Dễ dàng Giải pháp đảm bảo gắn bó giải pháp cần thiết để nghiên cứu xây dựng hệ phân tán thông qua chế truyền thông điệp, giải pháp đảm bảo gắn bó mạnh trình bày Mục 2.2 RAS Thời gian thực thi Chính sách Tổ chức Bảo mật Xử lý Máy ảo Tải Chi phí Tốc độ Loại Giao thức Gossip Tiện ích Phụ thuộc TN phần cứng Đấu giá Thông tin ngang hàng Thời gian đáp ứng CPU Giá thị trường I/O Tài nguyên ngang hàng Lợi ích Kiến thức chun mơn Thống kê ứng dụng Lưu trữ Truyền thông Ứng dụng SLA Hệ thống lớn Thời gian đáp ứng Thời gian thực Dữ liệu chuyên sâu CSDL chia sẻ Thông lượng Chất lượng dịch vụ Hình Các chiến lược cung cấp tài nguyên Điện tốn Đám mây Tóm lại, chế kỹ thuật cung cấp phân tán nhìn chung đáp ứng cho ứng dụng triển khai hệ phân tán Tuy nhiên, hạn chế chế truyền vấn đề dư thừa truyền thông nhiều máy chủ cung cấp thông tin đến máy chủ đích máy khách Để khắc phục nhược điểm trên, thách thức nghiên cứu đưa giải pháp loại bỏ gói tin dư thừa máy chủ máy khách nhận được, giải pháp kỹ thuật mã mạng 1.2.2 Các nghiên cứu liên quan đến điều khiển cung cấp tài nguyên hệ thống ảo hóa Các chiến lược cung cấp tài nguyên đề xuất mơ hình Điện tốn Đám mây theo Hình 1.2.2.1 Ảo hóa mạng 1.2.2.2 Mạng điều khiển phần mềm (SDN) ảo hóa chức mạng (NVF) 1.2.2.3 Hệ phân tán máy ảo Hệ phân tán triển khai VM tập trung tầng hệ thống ảo hóa theo Hình Mỗi VM triển khai nhiều hệ phân tán theo Hình 5.b Hình Hệ phân tán triển khai hệ thống máy ảo Như vậy, so với hệ phân tán truyền thống thành phần Tập hợp phần cứng khơng cần xét đến, thay vào Hệ thống ảo hóa Hệ phân tán mơi trường hệ phân tán ảo 1.3 Mơ hình giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên hệ thống máy chủ ảo 1.3.1 Giới thiệu tốn 1.3.2 Mơ hình tổng qt Mơ hình tổng qt đưa Hình mơ tả điều khiển cung cấp tài nguyên bao gồm phần Hình Mơ hình tổng qt cung cấp tài ngun hệ thống máy ảo 1.3.2 Giải pháp kỹ thuật Quá trình xử lý diễn bên hệ tập máy chủ ảo Si{i=1 n} thông qua hệ thống truyền thơng phân tán Hình Hệ thống mạng Hình mơ tả dạng đồ thị G=(U,V) theo Hình VMi VMj Virtual NetworkA Virtual NetworkB VMk Virtual Router VM2 Virtual Router VM1 VMn Virtual Router Hình Mạng truyền thơng phân tán ảo Khái niệm mã mạng trình bày sau: Trong mạng chuyển mạch gói truyền thống, định nghĩa luồng liệu là “miếng” rời rạc từ nguồn đến đích Tại đích nút trung gian, thơng điệp gửi chia thành gói, số có chứa số thơng điệp liệu nguyên vẹn phân mảnh Tất gói liệu khơng thiết truyền theo định tuyến tương tự; tất chúng đến đích, nơi có nhiệm vụ ráp chúng thành thơng điệp ban đầu Hướng nghiên cứu Luận án giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán máy ảo dựa kỹ thuật mã mạng Các giải pháp nhằm đảm bảo tính gắn bó hệ phân tán ảo người sử dụng tránh trùng lặp thông tin, đạt thông lượng cực đại tập đích Hình Hệ thống mạng biểu diễn dạng đồ thị Luận án trình bày giải pháp kỹ thuật mã mạng Xét đến trường hợp mơ hình mạng theo cách truyền multicast theo Hình 9.b, gói tin nút đích có tỷ lệ nhận cao so với cách truyền unicast Xét mạng mơ tả Hình 10 cách truyền multicast kết hợp với mã mạng, phép toán XOR thực nút trung gian tập đích để loại bỏ gói tin trùng lặp S1 S1 Message S2 Message Message S3 Message S4 S2 Message Message S5 Hình S4 Message S6 (a) S5 S3 Message Message Message Message (b) Message Message S6 Cách thức truyền unicast (a) multicast (b) S1 Message Message S2 Message Message Message 1Å2 S5 S3 Message S4 Message Message 1Å2 S6 Hình 10 Cách thức truyền multicast kết hợp với mã mạng Xác suất trường hợp lại nằm kiện quan sát xác suất liên kết mã thăm dị quan sát theo Bảng 11 2.1.2 Áp dụng song song hóa thuật tốn Lamport để giải loại trừ tương hỗ phân tán Nghiên cứu Luận án đề giải pháp giải trật tự tổng quát chặt chẽ hệ phân tán dựa song song hóa thuật tốn Lamport loại trừ tương hỗ phân tán 2.1.3 Hiệu thực thi song song hóa thuật tốn Lamport Song song hóa thuật tốn Lamport cho phép thiết lập trật tự tổng quát chặt chẽ ghi dấu kiện diễn máy chủ Thuật toán cải tiến gán dấu cho kiện yêu cầu 3(N - 1) thông điệp Khi áp dụng song song hóa thuật tốn Lamport thuật tốn loại trừ tương hỗ, tiến trình vào miền găng u cầu (N - 1) thơng điệp Do đó, giải pháp cải tiến Luận án đạt hiệu cao cải tiến thuật toán loại trừ tương hỗ phân tán 2.2 Đề xuất thuật toán 4PCoDT điều khiển cung cấp tài nguyên hệ phân tán triển khai máy ảo Hệ phân tán thực đảm bảo gắn bó thực vịng trịn ảo thể qua Hình 13 Các trường điều khiển tách thành trường, nội dung trường mô tả Bảng Hình 13 Thơng điệp di chuyển theo vịng trịn ảo Bảng Nội dung trường điều khiển thông điệp Trường Ý nghĩa F1 Thông tin Server bắt đầu vòng tròn ảo F1 = n  (n số lượng máy chủ) F2 F3 Giá trị Jeton hiển thị cập nhật thông tin Server hệ thống, độ dài giá trị n Mỗi máy chủ chiếm giữ giá trị vị trí trạm theo quy định F2[i]=0→4, i=1 n Giá trị đồng hồ logic gán thiết lập chế độ ưu tiên thông điệp 12 F4 F5 F6 F7 F8 Giá trị đồng hồ logic gán Nếu F3=F4 thơng điệp bắt đầu phát u cầu tài ngun, ngược lại thơng điệp di chuyển hệ thống Tên máy chủ cập nhật di chuyển hệ thống Nội dung tương ứng với pha giao dịch hệ thống, giao dịch thực pha để đảm bảo tính quán liệu Các trạng thái hành động tương ứng với pha giao dịch hệ thống F7=1→4, kết thúc vòng di chuyển, F7 tăng lên đơn vị Giá trị vịng thơng tin đăng ký, q trình diễn đăng ký hồn tất giao dịch giá trị tăng lên Cấu trúc thơng điệp thể qua Hình 14 Các biến cờ Trường nội dung Các trường điều khiển hệ thống @$ F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 $$ Content @$ Hình 14 Cấu trúc thơng điệp hệ phân tán Để đảm bảo tính gắn bó, thuật tốn xử lý pha giao dịch thể Hình 15 Bắt đầu Giao dịch Hàng đợi thông điệp S Kiểm tra tính hợp lệ thơng điệp đến Đ Ghi lại tách giá trị thông điệp Lấy giá trị pha giao dịch hành động pha Pha giao dịch = & Hành động = SEND Đ Gắn giá trị đồng hồ logic Khóa trường liệu Tạo bảng tạm S Pha giao dịch = & Hành động = TEMP S Pha giao dịch = & Hành động = SYNC Đ Sắp xếp trật tự thông điệp Cập nhật bảng tạm S Pha giao dịch = & Hành động = UPD Đ Lấy giá trị liên quan đến giao dịch từ máy chủ Sắp xếp trật tự thông điệp hàng đợi S Đ Phát lệnh thực cập nhật theo giá trị đồng hồ Cập nhật bảng tạm Đ Cập nhật giá trị trường điều khiển Kiểm tra đồng kiện đa Server Thực tiến trình cập nhật CSDL S Chuyển thơng điệp di chuyển vịng trịn Hủy giao dịch Hình 15 Kết thúc Giao dịch Thuật tốn 4PCoDT đảm bảo gắn bó 13 2.3 Triển khai giải pháp gắn bó hệ phân tán 2.3.1 Các hoạt động hệ phân tán Để thực mô bước thực theo quy trình: − Bước 1: khai báo số nút ảo thực việc tiếp nhận xử lý thông điệp − Bước 2: khai báo đường dẫn đến tập tin BRITE xuất từ chương trình BRITE − Bước 3: thực chạy chương trình mơ − Bước 4: nhận kết thực qua dạng: đồ họa theo Hình 14, hoạt động kiện theo Hình 15 Hình 16 Hình 17 Giao diện kết thực thi tô pô công cụ mô DSSim Các hoạt động kiện diễn bên chương trình 14 Tên kiện thể qua Bảng sau: Bảng Các kiện nút TT 10 11 12 13 14 Tên kiện UNKNOWN ALL MSG_NODE_SEND/ MSG_NODE_RECV MSG_ROUTE_SEND/ MSG_ROUTE_RECV ROUTE_BEGIN/ ROUTE_END NODE_BEGIN/ NODE_END NODE_CREATION/ NODE_REMOVAL NODE_TIMER MSG_DROPPED MONITORING_LLINK_CREATION MONITORING_LLINK_REMOVAL MONITORING_NODE_FUNCTION_CREATION MONITORING_NODE_FUNCTION_REMOVAL MONITORING_PROP_CHANGED Ý nghĩa Không xác định kiện Tất kiện Nút gửi/ nhận thông điệp Bộ định tuyến gửi/nhận thông điệp Bộ định tuyến bắt đầu/kết thúc Nút bắt đầu/kết thúc Tạo/ Xóa nút Bộ đinh thời nút Hủy thơng điệp Giám sát tạo liên kết Giám sát xóa liên kết Giám sát tạo chức nút Giám sát xóa chức nút Giám sát thay đổi Cấu trúc thông điệp di chuyển qua hệ thống bao gồm trường mơ tả theo Hình 16 2.3.2 Triển khai thuật tốn 4PCoDT hệ phân tán Luận án trình bày chương trình mơ thuật tốn 4PCoDT hệ phân tán dựa toán bãi đỗ xe Chương trình xây dựng ngơn ngữ Java, hệ quản trị sở liệu MySQL thực thi hệ điều hành Windows Server 2008 nằm hệ thống ảo hóa VMware vSphere F1 F2 F3 F4 F5 F6 Liên kết Nút vật lý Nút lô gich Dữ liệu di chuyển hai Server Giá trị đồng hồ logic gán Tên kiện Hình 18 Cấu trúc thơng điệp hệ thống mơ DSSim Hình 19 Trạng thái bảng liệu máy chủ 15 Hình 19.a thể trạng thái bảng liệu máy chủ, trường liệu thể trạng thái quán Chương trình từ máy trạm truy cập đến máy chủ hệ thống để đăng ký vị trí bãi đỗ thể Hình 20.a Sau đăng ký hồn tất, thơng báo gửi báo cho máy trạm biết q trình thực thành cơng Hình 20 Chương trình thể thuật tốn 4PCoDT 2.3.3 Đánh giá nhận xét mô Qua bốn pha thực vịng trịn ảo, kết tiến trình rơi vào hai trường hợp: không cung cấp tài nguyên dùng chung Đối với tiến trình khơng cung cấp tài ngun dùng chung, pha giao dịch tiến hành hủy bỏ giao dịch thông báo cho người sử dụng Tiểu kết Chương Chương trình bày vấn đề giải pháp cung cấp tài nguyên truyền thông hệ phân tán thuật tốn đảm bảo tính gắn bó hệ phân tán ảo Song song hóa thuật tốn Lamport cơng trình cơng bố số (2) nhằm gắn dấu thiết lập trật tự tổng quát chặt chẽ tiến trình hoạt động hệ phân tán Áp dụng song song hóa thuật tốn Lamport loại trừ tương hỗ để đảm bảo tiến trình vào miền găng đạt hiệu cao hệ phân tán Thuật tốn 4PCoDT cơng trình cơng bố số (4) đảm bảo tính gắn bó tập trung vào việc xây dựng thông điệp, chế điều khiển, giám sát định tuyến từ nguồn đến đích Nhược điểm cung cấp tài nguyên truyền thông hệ phân tán dựa chế truyền multicast 16 thông tin bị trùng lặp tập đích dẫn đến lãng phí tài ngun truyền thơng Có nhiều giải pháp khác để giải vấn đề vừa nêu, xong Luận án tập trung vào giải pháp kỹ thuật mã mạng CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP KỸ THUẬT MÃ MẠNG TỐI ƯU ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP TÀI NGUYÊN TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ PHÂN TÁN 3.1 Giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng 3.1.1 Các ràng buộc giải pháp kỹ thuật mã mạng Các ràng buộc thể qua Công thức (1) sau:  tl i nÕu k = ni  (1)  dtkid,l −  dtlid,k = −tl i nÕu k = d l:( k ,l )U l:( k ,l )U  ng­ỵc l¹i  liên kết (k, l): dtkid,l dịng thơng tin đích d phiên i dvki ,l dòng vật lý phiên i với ràng buộc thể qua Công thức (2) sau: dtkid,l  dvki ,l , d  Di (2) Bất đẳng thức (2) phản ánh điều kiện mã mạng liên quan tỷ lệ vật lý thông tin theo Công thức (3):   dvki ,l = max dtkid,l , d  Di d (3) Véc tơ tỷ lệ f đáp ứng các ràng buộc Công thức (1) (2) tồn mã mạng thiết lập kết nối multicast mức tùy ý gần tli từ nguồn Si tới tập đích Di và đưa vào gói với tỷ lệ tùy ý gần dtk,l liên kết (k,l) 3.1.2 Xác định tỷ lệ Tối ưu hóa điều khiển tỷ lệ với đồ thị Hình 21 thể muticast triển khai từ đồ thị mã S1 S1 Message S2 Message Message Message S3 Message S4 S4 Message S5 Hình 21 Message Message S6 S5 Cây multicast S6 17 Mỗi Cxi , x  X i chứa tập VxV liên kết, xác định |V||Xi| ma trận multicast MTi có phần tử thứ (v, x) cho công thức (4): 1 nÕu v Vx MTvxi =   ng­ỵc l¹i (4) Trọng số ràng buộc liên kết Cơng thức (3) trở thành Công thức (5): i tl i  ts , v V (5)  dvvi =  max x MTvx x v i  i  Chọn tỷ lệ nguồn tlix để giải toán tổng quát theo Công thức (6): maxtli ,dvi x Áp dụng cho v Ti (tli ) (6) i MTvxi tlxi  dvvi , x  X i , i  I  dvvi  tsv , v V i   llix ( z )   tnvi , x ( z ) −  tnvi , xi z ( z )  = (7) ( ) v  v  Đẳng thức (7) trạng thái cân cho phép tối ưu véc tơ chia lưu lượng 3.2 Giải pháp tối ưu truyền thông multicast với mã mạng 3.2.1 Các yêu cầu thông lượng xây dựng tô pô mạng Thông lượng cực đại ký hiệu thl(U) Gói ký hiệu g(U) với thơng lượng cực đại mà không mã Độ bền ký hiệu db(U), kết nối ký hiệu kn(U) Đối với truyền unicast mạng U, tham số cân thể qua Công thức (8): g(U) = thl(U) = db(U) = kn(U) (8) 3.2.2 Các kỹ thuật xử lý dịng thơng tin Hai thuật tốn xóa liên kết thêm liên kết đề xuất bao gồm hai pha, bắt đầu tạo tơ pơ tiến trình tối ưu cục 3.2.2.1 Đề xuất thuật tốn xóa liên kết multicast Mục đích pha đầu để tạo tơ pơ k-nút kết nối có chi phí tương đối thấp, sơ đồ pha thể Hình 22 Thuật tốn q trình tối ưu cục thể Hình 23 18 3.2.2.2 Đề xuất thuật toán thêm liên kết multicast Thuật toán bao gồm hai pha, pha bắt đầu tạo tơ pơ tiến trình tối ưu cục bộ, giai đoạn thứ hai giống thuật tốn xóa liên kết 3.2.2.3 Đề xuất song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson Song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson theo Hình 24 xử lý tất nút gắn nhãn chưa duyệt với tất k-nút kết nối, cải tiến bước thể sau: Bắt đầu Tạo kết nối tơ pơ G=(U,V) đầy đủ xem tô pô tốt C = 0,U={Si},V={Sij} Đ C > Cmax S 10 C = C+1 Tạo cấu hình tạm S Kiểm tra có phải k nút kết nối? 11 Đạt tô pô cuối 12 Kết thúc Đ Chọn liên kết, gán trọng số liên kết S Kiểm tra chi phí tơ pơ cải thiện? Đ Chấp nhận tôpô tạm tô pô tốt xóa tơ pơ cũ Hình 22 Pha đầu thuật tốn xóa liên kết Đối với cạnh SjkV, hai tình có thể xảy ra: Sj gắn nhãn chưa duyệt, Sk không gắn nhãn llS jk  tsS jk Nếu tình xuất thực gắn nhãn (Sj;+;nhan(Sk)) cho nút Sk, nhan(Sk ) = min(nhan(S j ), tsS jk − llS jk ) đặt Sj gắn nhãn duyệt Sk gắn nhãn chưa duyệt; 19 Sk gắn nhãn chưa duyệt, Sj không gắn nhãn llS jk  Nếu tình xuất thực gắn nhãn (Sk;-;nhan(Sj)) cho nút Sj, nhan(S j ) = min(nhan(Sk ), llSkj ) đặt Sk gắn nhãn duyệt Sj gắn nhãn chưa duyệt; Bắt đầu C = 0,U={Si},V={Sij} C > Cmax Đ S 11 C = C+1 Đ Chọn cặp liên kết 12 Tô pô cuối đạt Kiểm tra có phải hai liên kết liền kề? 13 Thực thi mã mạng Tô pô S 14 Kết thúc Tạo tơ pơ sau hốn đổi liên kết Chọn định tuyến gán trọng số liên kết Kiểm tra chi phí tơpơ cải thiện? Đ S S Tạo tô pô tạm khác sau hoán đổi liên kết Chọn định tuyến gán trọng số liên kết Kiểm tra chi phí tơ pơ cải thiện? Đ 10 Chấp nhận tô pô tạm tô pô tốt xóa tơ pơ cũ Hình 23 Thuật toán tối ưu cục Nếu nút S|U|-1 gắn nhãn đến bước 3, ngược lại trở lại bước Song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson thực theo ràng buộc tham số khác nghiên cứu Luận án 3.2.3 Tỷ lệ lưu lượng multicast với mã mạng Tỷ lệ mã mạng đa multicast 1.067 Thơng lượng cực tại tập đích giải pháp kỹ thuật mã mạng gấp đôi so với truyền unicast theo Hình 25 3.3 Đề xuất thuật tốn xác định mã mạng tuyến tính Đồ thị theo Hình 26 để phân biệt nút đồ thị Đối với nút SyT, VO(Sy) biểu thị tập cung (q,Sy,Sz) từ Sy VI(Sy) biểu thị tập cung vào (q,Sx,Sy) từ Sy theo Hình 27 Một cung v = (q,Sy,Sz) có Sy=Sdu(v) đầu Sz=Sda(v) 20 Hình 24 Song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson S1 S1 S1 m1 S2 S3 S4 S5 S6 (a) Thông lượng cực đại với đơn định tuyến bán nguyên multicast 1.5 Hình 25 S2 a b c d e f S3 m2 S2 S3 m1 S4 m2 S4 m2 m1 m1Å m2 m1Å m2 S5 S6 (b) Thông lượng cực đại với đa định tuyến phân chia multicast 1.875 S5 S6 (c) Thông lượng cực đại với mã mạng Ưu điểm mã mạng cải tiến thông lượng multicast từ nguồn đến tập đích 21 S1 n m1 m2 T S2 S3 m1 m2 S4 m2 m1 m1Åm2 m1Åm2 S5 Hình 26 D S6 Mơ hình mã mạng Sx VI(Sy) Sy VO(Sy) Sz Hình 27 Biểu thị cung vào/ra nút Sy Thuật tốn xác định mã mạng tuyến tính thể qua Hình 28 Thuật tốn bao gồm hai giai đoạn: − Trong giai đoạn đầu tiên, thuật toán thực thi để tìm lưu lượng, nút trung gian t T, tập P t đường dẫn cạnh rời rạc h từ nguồn đến đích Chỉ có cạnh kết hợp xét giai đoạn thứ hai thuật toán − Giai đoạn thứ hai sử dụng thuật toán tham lam viếng thăm cạnh thiết kế mã tuyến tính sử dụng cho cạnh Kết thực thi kỹ thuật mã mạng cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán thể qua Bảng Hình 29 Bảng Kết thực thi tô pô với phương thức truyền Lưu lượng 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 Nút 10 12 14 16 Mạng Cạnh 13 17 21 25 29 Unicast 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 Phương thức truyền Multicast Mã mạng 18.75 20.00 37.50 40.00 56.25 60.00 75.00 80.00 93.75 100.00 112.50 120.00 3.4 Đánh giá nhận xét giải pháp kỹ thuật mã mạng cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán triển khai hệ thống ảo hóa Dựa sở nghiên cứu lý thuyết kết nghiên cứu liên quan, Luận án trình bày giải thuật thuật toán giải toán tổng quát giải pháp điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán máy ảo dựa kỹ thuật mã mạng 22 Hình 28 Thuật tốn xác định mã mạng tuyến tính Hình 29 Tỷ lệ truyền thông với phương thức truyền Đối với giải pháp đảm bảo gắn bó hệ phân tán, Luận án song song hóa thuật tốn Lamport nhằm cho phép tiến trình vào miền găng loại trừ tương hỗ phân tán sớm yêu cầu thông điệp so với 23 giải pháp tương tự Kết song song hóa thuật tốn Lamport phần thuật tốn 4PCoDT đảm bảo tính gắn bó hệ phân tán Đối với giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng, Luận án xây dựng giải pháp xác định tỷ lệ nguồn điều khiển tỷ lệ truyền truyến tính đồ thị thông qua ràng buộc kỹ thuật mã mạng Sau thuật toán xác định tỷ lệ truyền, gói tin nguyên thủy chia thành nhiều khối mã hóa trước truyền kênh Tại tập đích, gói tin giải mã trả gói tin nguyên thủy Đối với giải pháp tối ưu truyền thông multicast với mã mạng, Luận án xây dựng hai thuật tốn thêm liên kết xóa liên kết nằm rút gọn multicast Cây multicast sau rút gọn kết hợp với song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson nhằm tìm dịng tối đa truyền Luận án đề xuất thuật toán xác định mã mạng tuyến tính nhằm đưa độ phức tạp tổng thời gian thực thi mã mạng Tiểu kết Chương Chương trình bày mơ hình điều khiển tỷ lệ nguồn cho multicast với mạng mã cho mạng với đồ thị mã công bố số (2) Hai thuật tốn tạo tơ pơ đề xuất thêm liên kết, xóa liên kết thực thi chúng ngữ cảnh công bố số (4) Thuật toán triển khai truyền multicast kết hợp kỹ thuật mã mạng đảm bảo tập đích nhận thơng tin không bị trùng lặp đạt thông lượng cực đại công bố số (6) KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết nghiên cứu Luận án nhằm giải mơ hình tổng quan dựa giải thuật, thuật toán nhằm tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán triển khai máy ảo Các kết cụ thể Luận án đạt thể sau: − Đối với hệ phân tán: Luận án đưa giải pháp đảm bảo tính gắn bó, qn bên hệ tính suốt người sử dụng thơng qua đóng góp: Song song hóa thuật tốn Lamport nhằm đảm bảo trật tự tổng quát tiến trình hệ phân tán Đề xuất thuật toán 4PCoDT đảm bảo tính gắn bó dựa giao dịch bốn pha − Đối với kỹ thuật mã mạng: Giải pháp phát triển thuật tốn điều khiển thích nghi tỷ lệ tương ứng Luận án đề xuất giải pháp sau: 24 Giải pháp kỹ thuật mã mạng phát triển thuật tốn điều khiển thích nghi tỷ lệ tương ứng Đề xuất giải pháp xây dựng tô pô truyền multicast kết hợp với mã mạng Đề xuất hai thuật tốn tạo tơ pơ đề xuất thêm liên kết, xóa liên kết Song song hóa thuật tốn Ford-Fukerson cho phép tối ưu chi phí truyền thơng multicast máy chủ Đề xuất thuật tốn xác định mã mạng tuyến tính − Đối với hệ thống Điện toán Đám mây: Luận án đề xuất thực thi tô pô mạng giải pháp mã mạng hệ thống máy chủ ảo Một số hướng tiếp tục nghiên cứu, phát triển mở rộng đề xuất sau: − Phát triển giải pháp điều khiển tiến trình phịng, chống bế tắc phát triển giải pháp cân tải máy chủ − Giải pháp mã mạng đa nguồn, đa tỷ lệ đa kết nối − Giải pháp cực tiểu độ trễ truyền thông − Xây dựng giao diện mở giao thức điều khiển cung cấp tài nguyên mã mạng − Tối ưu định tuyến bảo mật gói tin truyền DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ (1) Lê Văn Sơn, Nguyễn Thanh Tuấn, Đặng Hùng Vĩ, Nguyễn Thái Hoàng, Phạm Thị Dung, Nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát trực tuyến phương tiện giới đường bộ, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, 3(64), p.163-169, 2013 (2) Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Một giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng, Hội thảo quốc gia lần thứ XVI: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông, p.193-198, 2013 (3) Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Giải pháp cung cấp tài nguyên truyền thông phân tán, in Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia lần thứ VIII Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), p.239-245, 2015 (4) Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Giải pháp tối ưu truyền thông multicast với mã mạng, Chuyên san Các công trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT&TT, 15(35), p.2838, 2016 (5) Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán máy ảo, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, 11(108), p.90-93, 2016 (6) Hung Vi Dang, Tien Sy Nguyen, Van Son Le, Xuan Huy Nguyen, The optimal solution of communication resource allocation in distributed system integrated on cloud computing, 6th EAI International Conference on ContextAware Systems and Applications, p.226-236, 2017 (7) Đặng Hùng Vĩ, Lê Văn Sơn, Nguyễn Xn Huy, Song song hóa thuật tốn Lamport loại trừ tương hỗ phân tán, Chuyên san Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT&TT (Accepted) ... toán điều khiển cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán − Nghiên cứu, đề xuất giải pháp, thuật toán tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán triển khai máy ảo dựa kỹ thuật mã mạng 2.2... xây dựng giải pháp đảm bảo cung cấp tài nguyên dùng chung cho người sử dụng hệ phân tán tối ưu cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán hệ thống ảo hóa dựa kỹ thuật mã mạng Phương pháp nghiên... giải pháp thứ hai nhằm giải tốn tối ưu truyền thơng cho hệ phân tán máy ảo dựa kỹ thuật mã mạng 10 CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP TÀI NGUYÊN TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ PHÂN TÁN 2.1 Giải pháp