Nghiên cứu ứng dụng tính toán mạng lưới tại Việt Nam dựa trên máy tính cá nhân : Đề tài NCKH. QT.08.69

ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN • • • • ********* TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TỐN MẠNG LƯỚI TẠI VIỆT NAM DựÀTRÊN MÁY TÍNH CÁ NHÂN • * • MÃ SĨ: QT-08-69 CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI: ThS Trịnh Thị Thúy Giang HÀ NỘI - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T NHIấN ô ã ã ã TấN ẩ TI: NGHIấN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TỐN MẠNG LƯỚI TẠI VIỆT NAM DựÁTRÊN MÁY TÍNH CÁ NHÂN • • • MÃ SĨ: QT-08-69 CHỦ TRÌ ĐÈ TÀI: ThS Trịnh Thị Thúy Giang Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA HÀ r ọ i TRUNG TÂM t h ò n g tin TH J VIỆN HÀ NỘI - 2008 ĐẠI HỌC QƯÓC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN • • * * 'k'k'k'k'k'k’kyc'k TÊN ĐÈ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TỐN MẠNG LƯỚI TẠI VIỆT NAM DựA TRÊN MÁY TÍNH CÁ NHÂN • • • MÃ SỐ: QT-08-69 CH Ủ TRÌ ĐÈ TÀI: T hS T rịn h T hị T h ú y G ian g CÁN B ộ THAM GIA: ThS Hồ Đầc Phương ThS Trần Văn Dũng ThS Lê Thị Thanh Hải HÀ NỘI - 2008 BÁO CÁO TÓM TẮT T ên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng tính tốn mạng lưới Việt Nam dựa máy tính cá nhân; m ã số: QT-08-69 C h ủ trì đề tài: ThS Trịnh Thị Thúy Giang Các cán tham gia: - ThS Hồ Đắc Phương, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN - ThS Trần Văn Dũng, Trường ĐHKHTN - ThS Lê Thị Thanh Hải, Trường ĐHKHTN M ục tiêu nội dung nghiên cứu Hiện nay, thực tế có nhiều tốn u cầu khối lượng tính tốn lớn mà khơng thể sử dụng máy tính thơng thường, xuất siêu máy tính để giải tốn đó, nhiên kèm theo chi phí vơ lớn Tính tốn mạng lưới cơng nghệ đưa để giải hai vấn đề: Tận dụng tài ngun dư thừa xử lý tính tốn lớn với chi phí rẻ Hiện nay, có nhiều mơ hình công nghệ tảng để xây dựng ứng dụng tính tốn lưới, nhiều cơng cụ phát triển framework để phục vụ việc thực thi phát triển ứng dụng chạy tính tốn lưới, ví dụ Globus, Boinc, Alchem i Trong Alchemi cơng cụ phát triển tảng NET, hỗ trợ ứng dụng chạy tảng khác hoạt động, hồ trợ tích hợp với ứng đụng chạy ưên công cụ phát triển lâu Globus [1] Các nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu vấn đề liên quan đến mơi trường tỉnh tốn mạng lưới công cụ Alchem i (công cụ phát triển tảng NET cung cấp mã nguồn Internet [1]) - Nghiên cứu đưa số giải pháp phát triển m ột số tính cho cơng cụ Alchemi - M ột số kết sau triển khai mơ hình với công cụ Alchemi Các kết đạt - Viết m ột tài liệu giới thiệu công cụ Alchemi - Đã nghiên cứu phát triển số tính cho công cụ Alchemi - Đã gửi đáng 01 báo tạp chí Bưu Viễn thơng Cơng nghệ thơng tin Bộ Bưu Viễn thơng Tình hình kỉnh phí đề tài (hoặc dự án) CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI (Ký ghi rỗ họ tên) ĐƠN VỊ QUẢN LÝ (Ký ghi rõ họ tên) P G S T S Đ ỗ Q u an g H uy T hS T rịn h T hị T húy G iang TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN *HĨ HIỆU IRbỏNG MỤC LỤC ■ • Phàn I GIỚI THIỆU C H U N G I Đặt vấn đề .6 II Bộ công cụ Alchemi .6 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Kiến trú c Phần II PHÁT TRIẺN A L C H E M I 19 I Xây dựng module tính tốn dư thừa Alchemi: 19 1.1 Giới thiệu tính tốn dư thừa: 19 1.2 Kỹ thuật Homogeneous Redundancy (HR): .20 1.3 Xây dựng modul tính toán dư thừa 20 1.4 Xây dựng module xác nhận tính đắn kết 24 II Thực thi chương trình sau khỉ thêm module phát triển thêm: 26 Phàn III XÂY D ự N G ỨNG DỤNG RAYTRACING DƯA t r ê n ALCHEMI27 I Giói thiệu Raytracing .27 1.1 Lịch s : 27 1.2 Tổng quan khái niệm : 27 1.3 Ưu nhược điểm phương pháp Raytracing: 28 1.4 ứ ng dụng Raytracing: 29 1.5 Các dự án phát triển: 31 1.6 Xu phát triển Raytracing: 32 II Thuật toán: 33 III.Song song hóa q trình tính tốn thuật toán ray tracing 34 3.1 Mơ hình tính tốn: 34 3.2 Cân bàng tả i 35 Phần IV T H ự C N G H IỆ M 37 I Mơ hình triển khai 37 II Kết thu 37 Phần V KÉT L U Ậ N 44 TÀI LIỆU THAM K H Ả O 45 Phần I GIỚI THIỆU CHUNG I Đặt vấn đề Con người sổng giai đoạn bùng nổ công nghệ thông tin Các thiết bị phần cứng máy tính ngày trờ nên hồn thiện có sức mạnh lớn nhiều so với thiết bị trước Mặt khác giá thành giảm điều giúp cho máy tính có m ặt nơi giới, có mặt cơng việc người, từ công kinh doanh đến sản xuất, nghiên cứu khoa học Tuy nhiên, ứng dụng thông thường sử dụng phần nhỏ lực xử lý tính, dẫn đến lãng phí lớn Những tốn có khối lượng tính tốn khổng lồ mà dùng máy tính thơng thường phải m ất đến vài năm để hồn thành (ví dụ tạo phim 100 phút, với 24 frame/s bàng thuật tốn Raytracing, đến 6000 ngày tính tốn máy tính, tương ứng với 16 năm chạy CPU thông thường [2]) Những siêu máy tính phát triển để giải tốn đó, giá thành chúng q đắt nên đơi khơng phù hợp Tính tốn lưới công nghệ đưa để giải hai vấn đề trên: o Tận dụng tài nguyên dư thừa o Xử lý tính tốn lớn với chi phí rẻ Với phát triển cơng nghệ tính tốn lưới nay, nhiều công cụ phát triển m ột framework để phục vụ việc thực thi phát triển ứng dụng chạy tính tốn lưới, ví dụ Globus, Boinc, Alchemi Trong Alchemi m ột công cụ phát triển trẽn tảng NET, hỗ trợ ứng dụng chạy tảng khác hoạt động, hỗ trợ tích hợp với ứng dụng chạy công cụ phát triển lâu Globus [1] II Bộ công cụ Alchem i 2.1 Giới thiệu chung Trong bối cảnh thư viện framework dành cho tính tốn mạng lưới chủ yểu nằm Linux, Alchemi xuất trở thành framework hoi hoạt động NET Bản thân framework mã nguồn mở, Alchem i cung cấp khả linh hoạt cho người sử dụng thiết kế xử lý ứng dụng desktop hệ thống máy tính kết qua mạng để trơ thành m áy ảo siêu mạnh (virtual supercomputer) Đề tài trình bày tổng quan Alchem i m ột ứng dụng xây dựng công cụ Alchemi Trong khái niệm tính tốn lưới đơn giản thực tế việc triển khai tính tốn mạng lưới phải đương đầu với số thách thức Những yểu tố kể tính bảo mật, tính hỗn tạp, tính tin cậy, tảng phần mềm, lập lịch (scheduling) quản lý tài nguyên M icrosoft NET Framework cung cấp công cụ mạnh để giải tất vấn đề trên, đặc biệt hỗ trợ cho thực thi từ xa (qua NET Rem oting web service), đa luồng (multithreading), bảo mật, lập trình khơng đồng bộ, thực thi có quản lý (managed execution) phát triển đa ngơn ngữ (cross-language development) khiến trở thành tảng (platform) lý tưởng cho phần mềm tàng lưới Được xây dựng NET, Alchemi bao gồm thành phần sau: - Chương trình (file chạy window) để xây dựng tính tốn mạng lưới - Các hàm NET API công cụ cho phép phát triển ứng dụng tích hợp ứng dụng phát triển tảng khác Alchem i xây dựng dựa theo mơ hình master-vvorker, thành phần trung tâm đứng phân phát đơn vị xử lý song song quản lý chúng Đơn vị xử lý nhỏ mơ hình xử lý song song Alchemi thread, bao gồm hàm xử lý liệu M ột ứng dụng lưới định nghĩa đơn giản ứng dụng chạy hệ thống lưới bao gồm tập hợp thread, ứ n g dụng hay thread trừu tượng hóa mơ hình hướng đối tượng Alchemi Fram ework Alchemi cho grid xây dựng với mục tiêu làm cho cấu trúc grid phát triển phàn mềm grid đơn giản tốt, đảm bảo tính mềm dẻo, linh hoạt, tin cậy khả mở rộng Những tính chủ đạo hỗ trợ Alchem i là: - Các cluster Internet tạo thành từ máy tính cá nhân không cần hệ thống chia sẻ file - Hệ thống cluster để tạo hệ thống grid có tính cấp bậc cộng tác cao - Lập trình luồng grid hướng đối tượng - Giao diện web service hỗ trợ môi trường grid thông qua thành phần môi giới tài nguyên (resource broker component) Thiết kế cho m ột môi trường grid nhiều tầng sử dụng Alchemi số công nghệ grid khác Globus Toolkit thể hình vẽ Gridbus Grid Service Broker (GSB) thiết kế để triển khai với tài nguyên grid sử dụng Globus mở rộng để làm việc tài nguyên grid sử dụng Alchemi thông qua giao diện web service đa Alchemi Trong mơi trường này, ứng dụng grid tạo cách sử dụng mơ hình luồng grid Alchemi mơ hình lập trình param eter-sw eep Gridbus broker, ứ n g dụng thiết kế sử dụng mô hỉnh hướng luồng grid Alchemi (viết NET) chạy nút Alchemi ứng dụng khác ứng dụng parameter-sweep chạy nút Alchem i Globus e-Business Application e -S d e n c e Applicalion e-Commerce Application e-Engineering Application ~ -r"~ — A lc h e m i N ET API {Object-Oriented Grid Thread Programming L llr liu u m e illj i Environment) N E T language, e g c # , M anaged C + + , VB NET Precompiled executables Anv lanauaae •• - - -—= -— ; -srr:—— ■ Parametric Modeling Environment G r i d b u s G ri d S e r v i c e B r o k e r ( G S B ) A iơ ie m i A ctua tor G rid T h re a d s Globus A ctuator A lc h e m ì Jobs Afclu.’I— - -r t.£fm lY—’il A lc h e m i jm m B E aa rằ mp *7ô w+t'y y.T ã - HSjjflwmww ■ "■M ■* - JL H r :lass OS-based machines Windows-based machines with ,NET Framework Hình I 2.2 Kiến trúc 2.2.1 Thành phần Alchem i đưa bốn thành phần phân tán hình 2, thiết kế để hoạt động cách sử dụng Hình Manager M anager quản lý thực thi ứng dụng grid cung cấp dịch vụ liên kết với quản lý thực thi luồng Các Executor đăng kí với M anager qua để giúp Manager kiểm tra tính sẵn sàng chúng Luồng gửi tót Owner đặt vào khối chung (pool) lên kế hoạch để thực thi Executor rỗi Một mức độ ưu tiên dành cho luồng thiết lập tạo Owner, luồng đánh mức ưu tiên cao không thiết lập mức ưu tiên Executor trả luồng thực thi cho M anager chuyển tới Owner tương ứng Executor Executor chấp nhận luồng từ Manager thực thi chúng Một Executor chỉnh sửa để chuyên biệt (delicated), có nghĩa tài nguyên quản lý tập trung M anager, khơng chun biệt (none-delicated) có nghĩa tài nguyên quản lý tự nguyện chế độ screen save đặt chế độ người sử dụng Đối với thực thi không sẵn sàng có giao tiếp đường (one-w ay communication) Executor M anager Trong trường hợp u c - / Hình 20: Hoạt họa ấm trà (không texture) H o t họa ấm trà tịnh tiến + quay (có textu re) Ngày t e s t : 31/05/2008 File input (số frame, dung lượng) : teapot2.wri (36 frames, 74 kb) File output: 36 files (result 0.bmp -> result_36.bmp thư mục /RTTesƯteapot2), kích cỡ: 400x400 pixel ảnh Số máy xử lý: 15 máy Texture bề m ặ t : file gach.bmp Thời gian xử lý: 00:19:35.6406250 Ví dụ ảnh file output: 41 Hình 21: Hoạt họa ẩm trà (có texture) H oạt họa ấm trà q u ay quanh trục đ ứ n g (có áp dụng texture) Ngày t e s t : 31/05/2008 File input (số frame, dung lượng) : teapot3.wri (36 frames, 74 kb) File output: 36 flies (result_0.bmp -> result 36.bmp thư mục /RTTest/teapot3), kích cỡ: 400x400 pixel ảnh Sổ máy xử lý: 15 máy Texture bề m ặ t : file hoa.bmp Thời gian xử lý: 00:22:32.8906250 Ví dụ ảnh file output: 42 Hình 22: hoạt họa ấm trà quay quaoh trục đung (có te*.urE» 43 Phần V KÉT LUẬN Q trình hồn thiện đề tài qng thời gian chúng tơi tìm hiểu nhiều tri thức tính tốn mạng lưới đồ họa ba chiều Trong q trình phát triển chúng tơi đạt kết sau: tính tốn m n g lư ới Tìm hiểu chi tiết tổng quan hệ thống tính tốn lưới cô n g cụ A lch em i Nắm tính nhược điểm công cụ Alchemi Hiểu mã nguồn, cấu trúc chương trình cỏ thể sửa đổi để cải thiện công cụ Trên thực tế xây dựng thực nghiệm thành cơng modul tính tốn dư thừa ch n g trìn h R a y tra cin g qui trình h oạt họa Nắm bắt rõ kiến thức thuật toán Raytracing, file định dạng VRML [13,14], công cụ 3ds M ax [15] Triển khai phát triển thành cơng qui trình tạo ảnh Raytracing m ạng lưới grid (thực nghiệm 13-15 máy tính, cho kết số ảnh hoạt họa) Tuy nhiên chương trình xử lý ảnh Raytracing cịn nhiều thiếu sót, chưa áp dụng hết thuật toán Raytracing 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] w w w A lchem i.net Alchemi [Website] [2] Buss, S am u el R 3-D Computer Graphics - A Mathematical Introducing with OpenGL N ew York : Cambridge University Press, 2003 [3] http://boinc.berkeley.edu/ Boinc [Website] [4] M Taufer, D Anderson, P.Cicotti, C.L Brooks III Homogeneous redundancy: a technique to ensure integrity o f molecular simulation results using public computing [5] H enrik W ann Jensen, Per Christensen, s.l High quality rendering using raytracing and photon m apping : Siggraph 2007 course 8, 2007 [6] http://w ww encyclopedia.com / Encyclopedia.com [Website] HighBeam Research [7] Per H Christensen, Julian Fong, David M Laur, Dana Batali Raytracing fo r the m ovie ‘Cars [8] D.I Laurenson, A.U.U Sheikh, s McLaughlin The use o f raytracing in characterizing the indoor mobile radio channel [9] http://w w w openrt.de/ OpenRT [Website] [ 10] httpiy/blogs.intel.conxresearch/^O O T /lO ym oreonthefiitureofraytraci.php intel.com [Website] [11] http://w w w legitreviews.com /article/712.'1/ [Website] [12] D.I Laurenson, A u u Sheikh, s McLaughlin Parallel Progressive Ray-tracing [13] Daniel K Schneider, Sylvere Martin Michiellot VRML Primer and Tutorial, s.l : U niversity o f Geneva, 1998 [14] R ik k C a re y , G avin Bell The Annotated VRML n Reference Manual [15] Fletcher Dunn and Ian Parberry 3D math prim er fo r graphics and gam e development, s.l : W ordware Publishing, Inc., 2002 45 L Ậ P L ỊC H T R O N G H Ệ T H Ố N G T ÍN H T O Á N LƯ Ớ I D ự A T R ÊN K Ỹ TH U Ậ T TÓI u HÓA CỦ A NHÓM BẦY Trịnh Thị Thúy Giang1, Hồ Đắc Phương2, Nguyễn Thanh Thủy3, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội Email: tgiang@ vnu.edu-vn Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Email: hdDhuonft@vnu.edu-vn Đại học Bách khoa Hà nội Email: thuvnt@ it-hut.edi].vn TOM TẮT: Trí tuệ nhân tạo thường nghiên cứu theo hai hướng, là: sử dụng kỹ thuật tin học đe nghien cứu h iện tư ợng sinh hỏa học tự nhiên sử dụng q trình tối ưu hóa tụ nhiên sinh học đê giải quyêt toán tin học Trong báo này, chúng tơi trình bày kết theo huớng nghiên cứu thứ hai đê giải toán lập lịch hệ thống tính tốn lưới Kết cùa báo thuật toán lập lịch m ới dựa kỹ thuật tối ưu hóa theo nhóm bày PSO (Particle Swarm O ptim ization) C ác kêt quà thực nghiệm rằng, thuật toán đề xuất có hiệu tốt thuật tốn lập lịch dựa giải thuật di truyền có thởi gian thực nhỏ TỪ KHÓA: Grid com p u tin g, Scheduling, Particle Swarm Optim ization, G enetic Algorithm I GIỚI THIỆU Hệ thong tính tốn lưới (grid computing system) tập hợp rộng lớn không đồng nhât hệ thông tự trị (autonomous systems) phân tán địa lý kêt nôi với liên mạng máy tính báng thơng rộng [1] Lưới tính tốn sử dụng để giải vấn để phức tạp thuộc nhiều lĩnh vực khác như: tối ưu, mơ phóng, khám phá dược liệu, sinh học, Trong lưới tính tốn, hệ thống tự trị phải chia sẻ công việc (job sharing) với Việc chia sẻ công việc cho hệ thống tự trị cho tài nguyên hệ thống sử dụng hiệu công việc thực cách tối ưu gọi “lập lịch ừong hệ thong tính tốn lưới” [1], Bài tốn lập lịch tác vụ khó khăn hệ thống tính tốn lưới, rẩt nhiều nhà khoa học quan tâm Không giống toán lập lịch hệ thống phân tán truyền thống, lưới tính tốn việc lập lịch phức tạp hon nhiều đặc trưng như: tính động hệ thống, không đồng tài nguyên công việc cần quan tâm xử lý Bài toán lập lịch xem xét hai trường hợp: tĩnh (static) động (dynamic) Trong báo chúng tơi xem xét tốn dạng tĩnh Bài toán lập lịch chứng minh NP đủ [1], Do vậy, việc sử dụng thuật toán heuristics cách tiếp cận thực tê (de facto) đê giải quyêt Trong năm qua, nhiều tác giả sử dụng thuật toán heuristics khác để giải toán lập lịch như: Ritchie [2] sử dụng thuật toán Local search, Yarkhan [3] sử dụng thuật toán Simulated Annealing, Abraham [4] sử dụng thuật toán Tabu Search, Marino [5] sử dụng Genetic algorithms, Ritchie [6] sử dụng thuật toán lai Ant Colony Optimization Tabu Search, Do tính khó giải tốn lập lịch quan trọng hệ thống tính tốn lưới, nên việc tìm kiểm giái thuật chủ đê nghiên cứu thú vị Kỹ thuật tiến hóa theo nhóm bầy (PSO- Particle Swarm Optimization) đưa năm 1995 Dr Eberhart and Dr Kennedy [7] Kỹ thuật theo hành vi cùa bây chim (Bird flocking) đàn cá (Fish schooling) PSO áp dụng đê giải toán tối ưu khác nhau, đặc biệt toán người du lịch bán hàng [8] Dựa theo cách biểu diễn vị trí tốc độ phần tử (particle) quần thể (population) trình bày [8Ị, chúng tơi đưa thuật toán dựa ừên PSO để giải tốn lập lịch cho hệ thống tính tốn lưới Các kết thực nghiệm chi rằng, thuật toán đề xuất có hiệu tốt thuật tốn lập lịch dựa ữên giải thuật di truyền có thời gian thực nhỏ hon Phân lại báo tô chức sau Mục II dùng để ữình bày tổng quan kỹ thuật PSO Mục III đưa thuật toán lập lịch dựa thuật tốn PSO cho hệ thống tính tốn lưới M ục IV trình bày kêt thực nghiệm Chúng tơi đưa kết luận đề xuất hướng phát triển mục V II TỐI ƯU HÓA THẸO NHĨM BẢY PSO kỹ thuật tối ưu hóa ngẫu nhiên dựa quần thể phát triển Dr Eberhart and Dr Kennedy [7], theo hành vi cùa bầy chim hay đàn cá PSO có nhiêu tương tự kỹ thuật tính tốn tiến hóa thuật tốn GA (Genetic algorithm) Hệ thơng khởi tạo với quân thê giải pháp ngẫu nhiên tìm kiếm giải pháp tơi ưu báng việc cập nhật hệ Tuy nhiên, không giống GA, PSO khơng có thao tác tiển hóa lai ghép (crossover) hay đột biến (mutationj Đẻ minh hoạ ý tường cuả thuật toán PSO, ta xem xét kịch sau: Giả sử có bầy chim tìm kiếm thức ăn vùng Tất chim khơng biết thức ăn đâu Tuy nhiên, chúng biết thức ăn cách xa sau lần bay bay lại (lặp) Câu hỏi đặt là: Cách tốt để tìm thức ăn gì? Câu trả lời đơn giản bay theo chim gần chỗ thức ãn PSO phòng theo kịch sử dụng để giải tốn tối ưu Trong PSO, giải pháp đơn, kịch ừên “bird”, gọi particle Mỗi particle có m ột giá trị thích nghi (fitness value), đánh giá băng hàm đo độ thích nghi (fitness function), vận tơc (velocity) đê định hướng việc bay (flying)/tìm kiếm, Các particle duyệt (fly through) khơng gian tốn băng cách theo sau particles có điều kiện tốt thời (current optimum particles) PSO khởi tạo nhóm ngẫu nhiên particles, sau tìm kiểm giải pháp tối ưu việc cập nhật hệ (lần lặp) Trong hệ, particle cập nhật bời hai giá trị: giá trị thứ nhất, gọi pBest, fitness value particle tôt hệ thời G iá trị thứ hai, gọi gBest, fitness value particle tôt tất hệ từ trước đến Quá trình cập nhật particle dựa hai công thức sau: v[] = v [] + c l * rand() * (pb est[] - p resentn) + c2 * rand() * (gb estn present[] = persentn + v [] Trong đó: - v[] vận tốc particle - persent vị trí thời pbest[] gbest[] định nghĩa - rand số ngẫu nhiên khoảng (0,1) present[]) (1 ) (2 ) c 1, c2 nhân tốc học, chúng thường chọn c = c2 = Giả mã thuật toán PSO viết sau: For Each particle Khởi tạo particle EndFor Do For Each particle Tính fitness value If fitness value < pBest Then pBest = the fitness value endif EndFor If pBest < gBest then gBest =pBest endif For each particle Tính article vật tõc theo cơng thức Cập nhật vị trí theo cơng thức EndFor W hile (chưa đạt đẽn sõ thẽ hệ tõi đa cho phép); H ìn h 1: Thuật tốn PSO III PSO CHO BÀI TOÁN LẬP LỊCH Lập lịch hệ thống tính tốn lưới biết đến vơi nhiều cách thưc khác độ phức tạp hệ thống tính phân tán ứng dụng Tuy nhiên, báo này, quan tâm đến tốn lập lịch tĩnh, ứng dụng không phụ thuộc lẫn H ơn nữa, vấn đề trao đổi liệu, tính kinh tế giá tài nguyên không đặt Kiểu lập lịch xuất nhiều ứng dụng thực tế Trong kiểu lập lịch ứng dụng chia thành nhiều công việc độc lập, công việc gửi (riêng rè) đến hệ thống tự trị lưới đê thực tạo két (bộ phận), kết cuối kêt hợp kêt phận Chúng quan tâm đến kịch bản, ứng dụng gửi tới lưới độc lập khơng có ưu tiên Để dễ dàng cho việc phát biểu toán khơng mât tính tơng qt, ta giá sử biết trước thơng tin sau: khả tính tốn (cũng biêt tải tính tốn) mồi tài nguyên (hệ thống tự trị) lưới; ước lượng vê tải tính tốn (computational load) cơng việc, tải tính tốn sử dụng mơi tài ngun G iả sử có: 1) n cơng việc độc lập với tải tính tốn Ụ\, J2, Jn} cân phải lập lịch tính tốn Chúng ta giả sử m ỗi công việc xử lý tài nguyên 2) m tài nguyên (autonomous systeml với khả tính tốn: {Mi, M2, Mm} {T \,T 2, thời gian mà tài nguyên i kết thúc cơng việc trước (chi tài trọng sử dụng trước đó) Bài tốn đặt là: Lập lịch để hệ thống tính tốn thực tất công viêc cho 1) Flowtime cực tiểu, nghĩa là: 3) n Tf = Ầ/f y —m (3) t í-i 2) Makespan cực tiểu, nghĩa là: T m = min{ max M {r }} (4) Để áp dụng kỹ thuật PSO cho toán lập lịch hệ thống lưới, chung ta phải biêu diên particle Chúng biêu diễn particle ma trận sau: Pn Pl2 ■•• Pĩ* p = Pi\ P 22 ■■■ Pin _pm1 Pmì ■ (5) p mn đó, P ij biểu diễn khả m công việc J j thực bơi tài nguyên M ị Giá trị sinh bời hàm, gọi hàm mờ, dựa giá trị M \ / J ị sau: Pij = ụ i M ■ ) ì e {1,2, mị j e {1,2, ,n} (6) Và giá trị cùaPij phải thỏa mãn điều kiện sau: P ij e [ , l ] , / ( = j e { ,2 , ,« } ™ , Ỵ^pị, = I , í ' e (1.2 /n) (7 ) (8) j G {1,2, ,«} i=i Độ thích nghi particle tính sau: Cơng việc Jj gừi đến tài nguyên Mị thực p Ê j có giá trị lớn cột thứ i Sau tất công việc gán cho tài ngun, độ thich nghi mơi particle tính theo công thức sau sử dụng [9]: F = - ! - J Tm+ a * T f (9) Với ữ e (0, 1) tham số thiét kế để điều chỉnh lể and 7™ tính theo cơng thức (3) (4) Vi trí ban đầu particle vận tốc ban đầu xác định công thức (5) Các giá trị cập nhật sau vịng lặp theo cơng thức (1) (2) Ở cần lưu ý ràng, công thức ( l -) (21 thực ma trận thuật toán PSO cho việc lập lịch hệ thống tính tốn lưới có sơ hình IV CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Các kêt thử nghiệm trình bày kết trung bình 20 lần chạy thử nghiệm độc lập Chương tình mơ thực bàng ngôn ngữ C++ chạy may tinh đơn có vi xử lý Intel Peniv 2.7 Ghz, RAM 1Gb Các tác gia [9] chi răng, thuật toán GA đạt hiệu quà cao thuật toán heuristics khác Do thử nghiệm này, chúng tịi so sánh thuật tốn đề xuất với thuật tốn GA mơ tả [9], a) Các tham số thuật toán PSO GA Trong thí nghiệm chúng tơi, tham số p c p m thuật toán GA thiết lập theo khuyên cáo chung thuật toán di truyền p c = 0.02 pm = 0.6 [10], Chúng tơi lây p = 50 (kích thước quân thê) g = 50 (số hệ tối đa q trình tiến hố) cho thuật tốn GA Các giá trị dùng cho thuật toán PSO, nghĩa sô particle 50, sô lân lặp 50 Giá trị a công thức (9) chọn 0.3 theo kết đưa [9] b) Kích mơ Giả sử sơ cơng việc n= 100 sô tài nguyên lưới tính tốn m= 15 Chúng tơi cho sinh ngầu nhiên tải tính tốn cho cơng việc khoảng từ 10 đến 100, khả nâng tính tốn cùa tài nguyên 1000 đến 2000 Sinh ngẫu nhiên tải tính tốn sừ dụng mơi tài ngun khoảng từ 500 đến 1200 D ữ liêu đươc g iữ nguyên cho tẩt mô c) So sánh hiệu thuật toán PSO với thuật toán GA Genetic Algorithm PSO Makespan 43.6 43.01 Flowtime 48730 48721 Bảng 1: So sánh hiệu thuật toán Tuy nhiên, kết bảng ràng thuật tốn PSO có thời gian thực so với Kích thước quần thể (p) với số lần lặp p= 50 30 40 50 Thời gian chạy thuật toán (ms) PSO GA 60.2 71.8 64.8 78.2 72.1 90.3 B ả n g 2: So sánh thời gian chạy cùa thuật toán Thời gian chạy thuật tốn PSO chạy thuật tốn GA bơi thuật tốn GA phí thời gian cho q trình lai ghép độ biên Điêu khơng cân thuật tốn PSO V KỂT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Trong báo này, chúng tơi trình bày thuật tốn cho việc lập lịch hệ thống tính tốn lưới dựa kỹ thuật tơi ưu hóa theo nhóm bây (PSO) Cac ket qua thực nghiệm chi rằng, thuật tốn đề nghị có hiệu tương đương với thuật toán lập lịch tốt, dựa thuật tọán di truyền, có thời gian thực Tuy nhiên, điều thể thơng qua thực nghiệm Một phát biểu bang mo hình hỏa nên đưa Hom nữa, giá việc truyền liệu tính kinh tế va giá việc sử tài nguyên hệ thống cần quán tâm Đay cac phần việc nghiên cứu tiếp tục tương lai LỜI CẢM ƠN Tác giả xin cảm ơn chân thành hỗ trợ quý báu đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước mã sổ KHCB 2-010-006, đề tài SIDA SAREC, đề tài VNGrid đề tài cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QT-08-69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] c Kesselman, “The Grid: Blueprint for a new computing infrastructure”, Morgan Kaufmann Publisher Inc, 2002 [2] G Richie and J Levine, “A fast, effective local search for scheduling independent jobs in h e t e r o g e n e o u s c o m p u t in g e n v ir o n m e n ts ,” T e c h n ic a l rep ort, C en tre fo r In tellig en t S y ste m s and their Applications, School of Informatics, University of Edinburgh, 2003 [3] A Y a r k h a n a n d J D o n g a r r a “ E x p e r im e n ts w ith sc h e d u lin g u s in g sim u la ted a n n e a lin g in a grid environment,” In Proc of 3rd International workshop on Grid Computing, 232-242, 2002 [4] A A braham , R Buyya and B N a th , “N a tu r e ’s h e u r is tic s fo r s c h e d u lin g jo b s on computational grids,” In Proc of the 8th IEEE International Conference on Advanced Computing and Communications, India 2000 [5] [6] [7] [8] [9] [10] V D M a r tin o an d M M ililo t t i, “ S c h e d u lin g in a G rid c o m p u t in g e n v ir o n m e n t u sin g G e n e tic Algorithms”, In Proc of IPDPS 2002 G Ritchie and J Levine, “A hybrid ant algorithm for scheduling independent jobs in heterogeneous computing environments,” In Proc of 23rd Workshop of the UK Planning and Scheduling Special Interest Group, 2004 J Kennedy and R Eberhart, “Swarm Intelligence”, Morgan Kaufmann Publisher Inc, 2001 w Pang, K Wang, c Zhou and L Dong, “Fuzzy Discrete Particle Swarm Optimization for Solving Traveling Salesman Problem,” In Proc Of the Fourth International Conference on Computer and Information Technology, EEEE c s Press, 796-800, 2004 T T T Giang, L T Vinh, H c Thanh, N T Thuy, “Thuật toán di truyền cho việc lập lịch hệ thống tính tốn lưới”, The Third National Symposium Fundamental and Applied Information Technology Research - FAIR200’’, Aug 2007, N Trang D E Goldberg, “Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning”, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 1997 TĨM TẮ T CÁC CƠNG TRÌNH NCKH CỦA CÁ NHÂN Ngành: Toán Tin ứng dụng; Chuyên ngành: Đảm bảo toán học cho máy tính hệ thống tính tốn Họ tên (các) tác giả cơng trình - ThS Trịnh Thị Thúy Giang - TS Lê Trọng V ĩnh - PGS.TS H ồng Chí Thành - PGS.TS N guyễn Thanh Thủy - ThS Hồ Đắc Phương Năm: 2008 Tên báo cáo: “L ập lịch tro ng hệ thống tính to án lưới dựa kỹ thuật tối ưu h ó a củ a n h ó m b ầ y ” Hội thảo Quôc gia lân thứ XI: “Một số vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin truyền thông” H uế tháng 6/2008 T ó m tã t n g trìn h : Trí tuệ nhân tạo thường nghiên cứu theo hai hướng, ỉà: sử dụng kỹ thuật tin học đê nghiên cứu tượng sinh hỏa học tự nhiên sứ dụng trình toi ICU hỏa tự nhiên sinh học đế giải toán tin học Trong bải bảo này, chúng tơi trình bày kết qua theo hướng nghiên cứu th ứ hai để giải tốn lộp lịch hệ thống tính tốn lưới Két bào m ột thuật toán lập ỉịch dựa kỹ thuật tối ưu hỏa theo nhổm bày PSO ịParticle Swarm Optimization) Các kết qua thực nghiệm rằng, thuật toán đề xuất cỏ hiệu tot thuật toán lập lịch dựa giải thuật di truyền có thời gian thực nhỏ Tilte: Optim ization” “ Schedule in Grid computing based on the Particle Swam - Proceeding: The 11st National Symposium “Key problems of IT and Com m unication” - Abstract: A rtificial intelligence (AI) is used to describe research into human-made system s that possess some o f the essential properties o f life A I includes tw o-folded research topic: First, A1 studies how computational techniques can help w hen studying biological phenom ena; Second, A I studies how biological techniques can help out with com putational problems, ỉn this paper we presen t a new algorithm fo r solving the schedule problem in grid computing systems, in which the second approach is applied Moreover, our new algorithm fo r the sechuling problem is based on the Particle Swam Optimization (PSO) Experim ental results show that our algorithm can archive a perform ance as other general algorithms but its execute time is smaller than other one 46 SCIENTIFIC PROJECT Branch: Inform atics Technology Project category: National level ■Title: Applied Grid Computing in Viet Nam base on PC Code: QT-08-69 M anaging Institution: Vietnam National University o f Hanoi Im plem enting Institution: Hanoi University o f Science Collaborating Institutions Coordinator Key implem entors: - M Sc Trinh Thi Thuy Giang - M Sc Ho Dac Phuong - M Sc Tran Van D ung - MSc Le Thi Thanh Hai Duration: (from 3/2008 to 03/2009) Budget: 20.000.000 VND 10 M ain results: - Had a docum ent about Grid computing and Alchemi - Researched and proposed model grid computing in Vietnam - Sent a paper to Posts, Telecommunications and Information Technology Journal, M inistry of Posts and Telematics of Socialist Republic o f Vietnam 11 Evaluation grade (if the project has been evaluated by the the evaluation committee: excellent, good, fair) 47 PHIẾU ĐĂNG KÝ KÉT QUẢ NGHIÊN cứu KH-CN Tên đê tài (hoặc dự án): Nghiên cứu ứng dụng tính tốn mạng lưới Việt Nam dựa máy tính cá nhân số: OT-08-69 ỌT-08-69 Mã sơ: Cơ quan chủ trì đề tài (hoặc dự án): Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Địa chỉ: 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Tel: 04 8581419 Cơ quan quản lý đề tài (hoặc dự án): Đại học Quốc Gia Hà Nội Địa chỉ: 144 Xuân Thủy, cầ u Giấy, Hà Nội Tel: Tơng kỉnh phí thực chi: Trong đó: - Từ ngân sách Nhà nước: 20.000.000đ - Kinh phí trường: - Vay tín dụng: - Vốn tự có: - Thu hồi: Thịi gian nghiên cứu: năm Thời gian bắt đầu: tháng 03/2008 Thời gian kết thúc: 03/2009 Tên cán phoThợp nghiên cửu: ThS Hồ Đắc Phương, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN Sô đăng ký đê tài Bảo mật: Sô chứng nhận đăng ký kết nghiên cứu: a Phổ biển rộng rãi: b Phổ biến hạn chế: Ngày: c Bao mât: Tóm tắt kết nghiên cứu: - Nghiên cứu tìm hiểu tính tốn mạng lưới triển khai ứng dụng tính tốn mạng lưới dựa máy tính cá nhân Nghiên cứu tìm hiểu cơng cụ mã nguồn mở Alchem i xây dựng M icrosoft.Net thiết kế cho ứng dụng tính tốn mạng lưới dựa máy tính cá nhân - Đã nghiên cứu cài đặt ứng dụng tính tốn mạng lưới dựa má> tính cá nhân Kiến nghị ve quy mô đối tượng áp dụng nghiên cứu: ■ Đề tài nghiên cứu m ột hướng the giới, đặc biệt Việt 48 Nam, nên gặp nhiêu khó khăn Xây dựng nhóm nghiên cứu TTM L từ Trường Viện nghiên cứu để phối hợp triển khai Vì TTML địi hỏi phải có liên kết, phối hợp ê lưa tô chức cá nhân Việc triên khai thực có ý nghĩa triên khai hệ thống phân tán - Hiện Trung tâm tính tốn hiệu cao Trường Đại học Khoa học Tự nhiên triên khai m ột dự án VNGrid, thấy ràng nội dung thực đề tài bước đầu phần góp phần nhỏ vào trình thực hiện, triển khai VNGrid - Đe tiến hành xây dựng hệ thống TTML thử nghiệm Trường ĐHKHTN ĐHQGHN nên tạo điều kiện để cán đăng ký đề tài nghiên cứu TTML Trường Đ H K H TN cần thành lập nhóm dự án nghiên cứu vấn đề này, việc cài đặt hệ thống TTM L phức tạp phái can thiệp sâu phần cứng C h ủ n h iệ m đ ề tài T hủ tr n g c q u a n chủ trì đ ề tài Trịnh Thị Thúy C h ủ tịch H ộ i đ ồn g đ n h giá ch ín h th c Hồng Chí Thành Họ tên Học hàm học vị Kí tên Đóng dấu 49 T hủ tr n g c qu an q u ản lý đề tài