GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP TÀI NGUYÊN CHO HỆ PHÂN TÁN TRONG MÁY ẢO DỰA TRÊN KỸ THUẬT MÃ MẠNG. TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

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: GS TS Nguyễn Thúc Hải Phản biện 2: TS Nguyễn Bình Minh Phản biện 3: PGS.TS Quản Thành Thơ Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Đà Nẵng họp tại: Đại học Đà Nẵng Vào hồi 14 00 ngày 20 tháng 06 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Trung tâm Thông tin Học liệu Truyền thông, 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 thông 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 cơng trình cơng bố, tạp chí, hội nghị, hội thảo nước − Phương pháp thực nghiệm khoa học: sử dụng công cụ mô để thực nghiệm giải pháp, thuật toán 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 tốn Lamport thuật tốn 4PCoDT đảm bảo tính gắn bó hệ phân tán - Đề xuất hai thuật toán 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 Các khái niệm, định nghĩa 1.1.1 Các khái niệm liên quan đến tài nguyên Tài nguyên máy tính Tài ngun truyền thơng Tài ngun dùng chung Tài nguyên Điện toán Đám mây 1.1.2 Định nghĩa hệ phân tán (Distributed System) 1.1.3 Khái niệm mạng mã hóa hay mã mạng 1.2 Giới thiệu tốn mơ hình tổng quát cung cấp tài nguyên 1.2.1 Giới thiệu tốn ứng dụng hệ phân tán 1.2.1.1 Ví dụ 1.2.1.2 Ví dụ 1.2.2 Mơ hình tổng qt Mơ hình tổng qt đưa Hình mô 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 Điều khiển cung cấp tài nguyên 1.3.1 Các vấn đề sở tài nguyên 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 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 nguyên Hình mô tả tập máy chủ kết nối qua môi trường truyền thông 1.3.2 Bộ cung cấp tài nguyên Bộ cung cấp tài nguyên phân tán RADS hoạt động dựa thuật toán cung cấp tất tài nguyên sẵn có Dựa vào hệ thống ảo hóa theo Hình 3.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 Hình Kiến trúc truyền thống kiến trúc ảo hóa 1.4 Các nghiên cứu liên quan 1.4.1 Các nghiên cứu liên quan đến điều khiển cung cấp tài nguyên hệ phân tán 1.4.1.1 Các thuật tốn truyền thơng hệ phân tán Nhiều phương thức truyền multicast phát triển triển khai, tất phân loại thuộc lớp sau: − − − − Thuật tốn truyền thơng dựa vào lịch sử Thuật toán dựa quyền ưu tiên Thuật toán di chuyển Thuật toán di chuyển đảm bảo trật tự toàn phần 1.4.2 Các nghiên cứu liên quan điều khiển cung cấp tài nguyên mã mạng 1.4.2.1 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 thông lượng đạt cực đại tập đích Các thuật tốn nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá mở rộng để điều khiển truyền thông điệp nhiều ứng dụng khác 1.4.2.2 Hướng nghiên cứu giải pháp kỹ thuật mã mạng 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, thông điệp gửi chia thành gói, số có chứa số thơng điệp liệu cịn ngun 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 thông điệp ban đầu Giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng phần điều khiển cung cấp tài nguyên mã mạng phần mơ hình tổng qt nhằm phân chia gói tin đảm bảo tỷ lệ truyền từ nguồn đến tập đích Giải pháp tối ưu truyền thơng phân tán dựa kỹ thuật mã mạng cho phép tối ưu băng thông, tránh trùng lặp thông tin đồng thời đạt thông lượng cực đại tập đích Hình Hệ thống mạng biểu diễn dạng đồ thị 1.4.3 Các nghiên cứu liên quan đến điều khiển cung cấp tài nguyên hệ thống ảo hóa Các chiến lược cung cấp tài ngun đề xuất mơ hình Điện tốn Đám mây theo Hình Cung cấp tài ngun mơi trường đám mây cần có giải pháp, chiến lược nhằm tối ưu tài nguyên cho người sử dụng ứng dụng đám mây Trong chiến lược cung cấp tài nguyên truyền thông cho đám mây Luận án, việc xây dựng chế điều khiển cung cấp tài nguyên đặc điểm quan trọng để đảm bảo tính gắn bó cho hệ phân tán, di trú đám mây thời gian thực ứng dụng 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 chuyên môn 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 toán Đám mây 1.4.3.1 Ảo hóa mạng 1.4.3.2 Mạng điều khiển phần mềm (SDN) ảo hóa chức mạng (NVF) Tiểu kết Chương Trên sở tìm hiểu khái niệm, nghiên cứu chiến lược cung cấp tài nguyên, Luận án đưa mơ hình tổng qt cho tốn cung cấp tài nguyên hệ thống ảo hóa Luận án đưa ví dụ hệ thống giám sát trực tuyến phương tiện giới đường trình bày cơng bố số (1) chương trình bãi đỗ xe trình bày cơng bố số (5) Dựa vào mơ hình tổng qt trình bày cơng bố số (6), Luận án nêu lên số giải pháp nhằm cho phép tính tốn, xử lý liệu dùng chung đám mây Nhóm giải pháp thứ bao gồm điều khiển cung cấp tài nguyên dùng chung cho hệ phân tán cung cấp tài nguyên truyền thơng phân tán trình bày Chương Luận án Nhóm giải pháp thứ hai bao gồm điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng tối ưu truyền thơng multicast dựa kỹ thuật mã mạng Nhóm giải pháp thứ hai nhằm giải toán tối ưu truyền thông cho hệ phân tán máy ảo dựa kỹ thuật mã mạng trình bày Chương Luận án CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP TÀI NGUYÊN TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ PHÂN TÁN 2.1 Giải pháp song song hóa thuật toán Lamport loại trừ tương hỗ phân tán 2.1.1 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 lô 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 2.1.2 Song song hóa thuật tốn Lamport Dựa vào truyền thơng nhóm, song song hóa thuật tốn Lamport theo cách giải sau: Một trạm i phát sinh kiện gửi thông điệp yêu cầu cung cấp giá trị đồng hồ đến tất trạm lại theo thủ tục: ( GETLAMPORT Si , H Si , act , sk ) tất trạm sau nhận thông điệp kiểm tra, so sánh với giá trị H Slocal trạm ( HSi = HSlocal + 1) phản hồi thông điệp chấp nhận giá trị với thủ tục: ( ACCEPTLAMPORT Slocal , Si , H Si , act , sk , boolean ) Thông điệp gửi đồng thời đến trạm theo thủ tục để xác nhận giá trị đồng hồ gắn cho kiện ski: ( UPDATELAMPORT Si , H Si , act, sk ) Kết song song hóa thuật tốn Lamport thể qua Hình Hình Trật tự tổng quát thơng điệp theo thuật tốn Lamport sau cải tiến so với Hình Bộ cung cấp tài nguyên truyền thơng phân tán sở truyền thơng nhóm theo Hình Bên nhận Bên phát Bộ cung cấp tài nguyên truyền thông Hàng đợi ServerA Yêu cầu/ đáp ứng Hệ thống viễn thông Bộ cung cấp tài nguyên truyền thơng u cầu/ đáp ứng Hàng đợi ServerB Hình Cung cấp tài nguyên phân tán cho cặp yêu cầu/đáp ứng 2.1.3 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 2.1.4 Hiệu thực thi song song hóa thuật tốn Lamport Song song hóa thuật toán 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) thơng điệp Khi áp dụng song song hóa thuật tốn Lamport thuật tốn loại trừ tương hỗ, tiến trình vào miền găng yêu cầu (N - 1) thông 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 2.2.1 Vấn đề kỹ thuật cung cấp tài nguyên dùng chung hệ phân tán Thuật toán 3PC khác với thuật toán 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 thông điệp nhiều để khôi phục độc lập liệu dẫn đến chi phí tài ngun truyền thơng 11 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 13, hoạt động kiện theo Hình 14 Hình 13 Hình 14 Giao diện kết thực thi tô pô công cụ mô DSSim Các hoạt động kiện diễn bên chương trình 12 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 15 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 15 Cấu trúc thơng điệp hệ thống mơ DSSim Hình 16 Trạng thái bảng liệu máy chủ 2.3.2 Triển khai thuật toán 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 13 Java, hệ quản trị sở liệu MySQL thực thi hệ điều hành Windows Server 2008 nằm hệ thống ảo hóa VMware vSphere Hình 16.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 17.a Sau đăng ký hồn tất, thơng báo gửi báo cho máy trạm biết q trình thực thành cơng Hình 17 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 cơng trình cơng bố số (7) Thuật tốn 4PCoDT cơng trình cơng bố số (4) đảm bảo tính gắn bó tập trung vào việc xây dựng 14 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 thông tin bị trùng lặp tập đích dẫn đến lãng phí tài nguyên 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 mã mạng Luận án trình bày giải pháp kỹ thuật mã mạng Xét đến trường hợp mơ hình mạng theo cách truyền multicast theo Hình 18.b, gói tin nút đích có tỷ lệ nhận cao so với cách truyền unicast Xét mạng mơ tả Hình 19 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 18 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 Hình 19 S3 Message S4 Message Message 1Å2 S6 Cách thức truyền multicast kết hợp với mã mạng 15 Xác suất trường hợp lại nằm kiện quan sát xác suất liên kết mã thăm dị quan sát theo Bảng Bảng Mã thăm dị quan sát TT Tập nút đích S5 S6 M1 M2 M1Å2 M1 M2 M1Å2 M1 M1 M2 M2 M1Å2 S12 1 1 1 M1Å2 S13 1 1 1 Tập nút trung gian S24 S25 S34 S36 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 S45 1 0 1 S46 0 1 1 1 Hướng nghiên cứu Luận án kỹ thuật mã mạng tập trung vào giải pháp: - Giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng phần điều khiển cung cấp tài nguyên mã mạng phần mơ hình tổng qt nhằm phân chia gói tin đảm bảo tỷ lệ truyền từ nguồn đến tập đích - Giải pháp tối ưu truyền thơng phân tán dựa kỹ thuật mã mạng cho phép tối ưu băng thông, tránh trùng lặp thông tin đồng thời đạt thơng lượng cực đại tập đích 3.2 Giải pháp điều khiển tỷ lệ nguồn với mã mạng 3.2.1 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 ngược lại ú 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): (3) dvki ,l = max dtkid,l , d  Di d   16 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) 3.2.2 Xác định tỷ lệ Tối ưu hóa điều khiển tỷ lệ với đồ thị Hình 20 thể muticast triển khai từ đồ thị mã S1 S1 Message S2 Message Message Message S4 S4 Message S6 Hình 20 Mỗi Message Message S5 Cxi , x  X i S3 Message S5 S6 Cây multicast 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 = ngược lại (4) Trng s ràng buộc liên kết Công 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 tốn tổng qt theo Cơng thức (6): Ti (tli ) maxtli ,dvi x Áp dụng cho v (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 17 3.3 Giải pháp tối ưu truyền thông multicast với mã mạng 3.3.1 Các yêu cầu thông lượng xây dựng tô pô mạng Thơng lượng cực đại ký hiệu thl(U) Gói ký hiệu g(U) với thông 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) 3.3.2 Các kỹ thuật xử lý dòng 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 Bắt đầu Tạo kết nối tô pơ G=(U,V) đầy đủ xem tơ pơ 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 Hình 21 Chấp nhận tơpơ tạm tơ pơ tốt xóa tơ pơ cũ Pha đầu thuật tốn xóa liên kết 18 3.3.2.1 Đề xuất thuật tốn xóa liên kết multicast Mục đích pha đầu để tạo tô pô k-nút kết nối có chi phí tương đối thấp, sơ đồ pha thể Hình 21 Thuật tốn q trình tối ưu cục thể Hình 22 3.3.2.2 Đề xuất thuật tốn thêm liên kết multicast Thuật toán bao gồm hai pha, pha bắt đầu tạo tô pô tiến trình tối ưu cục bộ, giai đoạn thứ hai giống thuật tốn xóa liên kết 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 tô pô sau hoán 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 pô cải thiện? Đ 10 Chấp nhận tô pô tạm tô pô tốt xóa tơ pơ cũ Hình 22 Thuật tốn tối ưu cục 3.3.2.3 Đề xuất song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson Song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson theo Hình 23 xử lý tất nút gắn nhãn chưa duyệt với tất k-nút kết nối, cải tiến bước thể sau: 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 19 Sk, nhan(Sk ) = min(nhan(S j ), tsS jk − llS jk ) đặt Sj gắn nhãn duyệt Sk gắn nhãn chưa duyệt; 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; 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 Hình 23 Song song hóa thuật tốn Ford Fulkerson 3.3.3 Tỷ lệ lưu lượng multicast với mã mạng Tỷ lệ mã mạng đa multicast 1.067 Thông lượng cực tại tập đích giải pháp kỹ thuật mã mạng gấp đơi so với truyền unicast theo Hình 24 20 3.4 Đề xuất thuật toán xác định mã mạng tuyến tính Đồ thị theo Hình 25 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 26 Một cung v = (q,Sy,Sz) có Sy=Sdu(v) đầu Sz=Sda(v) S1 S1 S1 m1 S2 S3 S4 S5 S6 (a) Thông lượng cực đại với đơn định tuyến bán nguyên multicast 1.5 Hình 24 S2 a b c d e f S3 m2 S2 S3 m1 S4 m2 S4 m2 m1 m1Å m2 m1Å m2 S5 S6 S5 (b) Thông lượng cực đại với đa định tuyến phân chia multicast 1.875 S6 (c) Thông lượng cực đại với mã mạng Ưu điểm mã mạng cải tiến thơng lượng multicast từ nguồn đến tập đích S1 n m1 m2 T S2 S3 m1 m2 S4 m2 m1 m1Åm2 m1Åm2 S5 Hình 25 D S6 Mơ hình mã mạng Sx VI(Sy) Sy VO(Sy) Sz Hình 26 Biểu thị cung vào/ra nút Sy Thuật toán xác định mã mạng tuyến tính thể qua Hình 27 Thuật toán bao gồm hai giai đoạn: − Trong giai đoạn đầu tiên, thuật tốn 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 21 Kết thực thi kỹ thuật mã mạng cung cấp tài nguyên truyền thông cho hệ phân tán thể qua Bảng Hình 28 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 Hình 27 Thuật tốn xác định mã mạng tuyến tính 3.5 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 22 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 Hình 28 Tỷ lệ truyền thơng 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 u cầu thơng điệp so với 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 thơng qua ràng buộc kỹ thuật mã mạng Sau thuật tốn 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 tốn 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 23 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 khơng 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: 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 thông 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 24 − − 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 thơng multicast với mã mạng, Chun san Các cơng 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 công trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT&TT, 2019(2), p.83-92, 2019