Mô hình tính toán phân tán rộng khắp (Ubiquitous Computing)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TIỂU LUẬN NHÓM IT6040 NGUYÊN LÝ VÀ MÔ THỨC PHÁT TRIỂN HỆ PHÂN TÁN Đề tài: Mô hình tính toán phân tán rộng khắp (Ubiquitous Computing) Giảng viên hướng dẫn : TS. Vũ Thị Hương Giang Học viên thực hiện : Nguyễn Thị Huyền Đào Minh Tuấn Lê Thị Thu Hà Lớp: : Cao học 12ACNTT - Hưng Yên IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing Mục Lục 1. Đặt vấn đề 4 2. Giới thiệu chung về hệ phân tán .4 2.1. Tổng quan về hệ phân tán .4 2.2. Phân loại hệ phân tán .4 2.2.1 Hệ tính toán phân tán .4 2.2.2. Hệ thông tin phân tán 5 2.2.3 Hệ thông tin di động .5 2.3. Vai trò của hệ phân tán .6 2.4. Đặc trưng của hệ phân tán 6 2.5. Các lĩnh vực ứng dụng .7 3. Tính toán phân tán rộng khắp 7 3.1. “Tính toán rộng khắp” là gì? 7 3.2. Vị trí của “Tính toán rộng khắp” 8 3.3. Công nghệ nano và công nghệ không dây 8 3.3.1 Công nghệ nano .8 3.3.2 Công nghệ không dây .8 3.4. Ngữ cảnh - Nhận thức và sự tương tác tự nhiên .9 3.4.1 Ngữ cảnh – Nâng cao nhận thức 9 3.4.2. Tương tác tự nhiên .9 3.5. Sự hứa hẹn của mô hình tính toán phân tán rộng khắp .10 4. Phân loại các ứng dụng của mô hình tính toán phân tán rộng khắp .10 4.1. Tóm tắt .10 4.2. Những nghiên cứu trước đây 11 4.2.1. Định nghĩa mô hình tính toán phân tán rộng khắp 11 4.2.2. Phân loại sơ đồ mô hình tính toán phân tán rộng khắp .11 4.2.3. Những hạn chế của nghiên cứu trước đây .12 4.3. Phân loại tư duy ứng dụng mô hình tính toán phân tán rộng khắp .13 4.4. Ứng dụng .14 Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 2 IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing 4.4.1. Dịch vụ và kết quả của mô hình tính toán phân tán rộng khắp 14 4.4.2. Nghiên cứu dự án Cooltown .15 5. Tài liệu tham khảo .24 Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 3 IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing 1. Đặt vấn đề Ngày nay, mạng máy tính phát triển rất mạnh, cùng với nó, việc tính toán, quản lý ngày nay không chỉ đơn giản tập trung trong một máy tính đơn như trước nữa. Nó đòi hỏi các hệ thống tính toán phải được kết hợp từ một số lượng lớn các máy tính kết nối với nhau qua 1 mạng tốc độ cao. Chúng thường được gọi là các mạng máy tính hay còn có tên khác là các Hệ phân tán, nhằm ám chỉ tương phản với Hệ tập trung trước đây. Ngày nay, hệ phân tán phát triển rất nhanh và được ứng dụng rộng khắp. Đó có thể là các dịch vụ thông tin phân tán, như các dịch vụ trên Internet chẳng hạn. Đó cũng có thể là các cơ sở dữ liệu phân tán như các hệ thống đặt vé máy bay, xe lửa…hoặc các hệ thống tính toán phân tán. Mục đích của tiểu luận này nhằm nêu ra 1 cách khái quát nhất những khái niệm, những nguyên lý cơ bản của hệ phân tán và mô hình tính toán rộng khắp. Đồng thời phân tích sâu vào các mô hình tính toán hướng đối tượng trong hệ phân tán. 2. Giới thiệu chung về hệ phân tán Với việc phân bố ngày càng rộng rãi của các công ty, xí nghiệp, dữ liệu bài toán là rất lớn và không tập trung được. Vì vậy hệ phân tán chính là giải pháp để đáp ứng những nhu cầu mới đó. 2.1. Tổng quan về hệ phân tán Có nhiều định nghĩa cho 1 hệ phân tán. Tuy nhiên, ta có thể định nghĩa hệ phân tán là một tập hợp bao gồm các máy tính tự trị được liên kết với nhau qua một mạng máy tính, và được cài đặt phần mềm hệ phân tán. Phần mềm hệ phân tán cho phép máy tính có thể phối hợp các hoạt động của nó và chia sẻ tài nguyên của hệ thống như phần cứng, phần mềm và dữ liệu. 2.2. Phân loại hệ phân tán • Hệ tính toán phân tán – Distributed Computing Systems • Hệ thống thông tin phân tán – Distributed Information Systems • Hệ thông tin di động – Distributed Pervasive Systems 2.2.1 Hệ tính toán phân tán Nhiều hệ phân tán được cấu hình cho tính toán hiệu năng cao (High – Performance Computing) Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 4 IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing Cluster Computing: Một nhóm các high-end systen kết nối với nhau qua mạng LAN, các máy này có tính đồng nhất: chạy cùng hệ điều hành, phần cứng gần giống nhau. Tất cả được truy nhập và điều khiển một cách hoàn toàn bởi một nút quản lý (master node). Thường dùng để chạy các thuật toán song song. Grid Computing (tính toán lưới): gồm nhiều nút ở nhiều nơi, đa dạng về phần cứng và hệ điều hành, các nút nằm rải rác ở các tổ chức khác nhau, có thể trải rộng trong một mạng diện rộng. Để cho phép sự cộng tác giữa các nút, cái lưới tính toán thường dùng hình thức tổ chức ảo. Những người thuộc về cùng một tổ chức ảo sẽ có quyền truy nhập tới các tài nguyên do tổ chức đó cung cấp. Thực chất đây là một nhóm các user sẽ cho phép sử dụng tài nguyên. 2.2.2. Hệ thông tin phân tán Rất nhiều các hệ thống phân tán được sử dụng ngày nay là các hình thức của các hệ thống thông tin truyền thống này tích hợp các hệ thống sẵn có. Ví dụ: Các hệ thống xử lý giao tác (transaction processing system). Mô hình giao tác (transactiong model): Một giao tác là một tập hợp các thao tác đối với trạng thái của một đối tượng (CSDL, đối tượng, etc…), giao tác phải thỏa mãn tính chất sau (ACID): • Atomicity – tính nguyên tử: hoặc tất cả các thao tác đều thành công hoặc tất cả đều thất bại. Khi giao tác thất bại, trạng thái của đối tượng sẽ không bị ảnh hưởng bởi giao tác đó. • Consistency – tính nhất quán: Một giao tác thiết lập một sự chuyển dịch trạng thái hợp lệ. Điều này không loại trừ khả năng xảy ra các trạng thái trung gian không hợp lệ trong quá trình thực thi giao tác. • Isolation – tính cô lập: Các giao tác tương tranh không dính líu lẫn nhau. Đối với mỗi giao tác T, các giao tác khác xảy ra trước T hoặc sau T, nhưng không bao giờ vừa trước vừa sau. • Durability – tính bền vững: sau khi thực thi một giao tác, các hiệu ứng của nó được bền vững cho dù hệ thống có thể gập sự cố. Trong nhiều trường hợp, dữ liệu tham gia một giao tác được phân tán tại nhiều server. Một TP monitor (transaction process monitor) có trách nhiệm điều phối sự thực thi của một giao tác. 2.2.3 Hệ thông tin di động Hệ phân tán gồm các thiết bị tính toán nhúng và di động. Trong đó, tính không bền vững (instability) là mặc định. Các yêu cầu: Thay đổi về ngữ cảnh: Các thành phần của thệ thống cần liên tục ý thức về thực tế là môi trường của nó có thể thay đổi liên tục. Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 5 IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing Cấu tạo ad-hoc: Một nút có thể được dùng theo các cách khác nhau bởi các dịch vụ và thông tin dùng chung. Dẫn đến các yêu cầu về tính đơn giản. Trong các hệ thống pervasive, yêu cầu về tính trong suốt về phân tán là không phù hợp, ở đây, sự phân tán về dữ liệu, quy trình, và điều khiển là có tính chất cố hữu. 2.3. Vai trò của hệ phân tán Thứ nhất chúng cho phép chúng ta chạy những ứng dụng khác nhau trên nhiều máy khác nhau thành một hệ thống duy nhất. Một ưu điểm khác của hệ phân tán đó là khi một hệ thống được thiết kế đúng cách, một hệ phân tán có thể có khả năng thay đổi tuỳ theo quy mô của hệ thống rất tốt. Tuy nhiên, tất cả mọi thứ đều có hai mặt của nó, một hệ phân tán cũng vậy bên cạnh những mặt ưu việt thì nó cũng có những nhược điểm đó là tính bảo mật kém. 2.4. Đặc trưng của hệ phân tán a/ Kết nối người sử dụng với tài nguyên Chia sẻ nguồn tài nguyên là một đặc tính cơ bản của hệ thống phân tán, nó là cơ sở cho những đặc tính khác và nó ảnh hưởng đến những kiến trúc phần mềm có sẵn trong các hệ phân tán. Các nguồn tài nguyên có thể là mục dữ liệu, phần cứng và các thành phần của phần cứng. Các nguồn tài nguyên được phân biệt từ một dữ liệu được quản lý với những quá trình xử lý đơn bởi nhu cầu của vài quá trình xử lý để chia sẻ chúng b/ Tính trong suốt (transparency) Một hệ phân tán được gọi là trong suốt nếu nó có khả năng che dấu tính rời rạc và những nhược điểm có thể có của nó đối với người sử dụng và người lập trình ứng dụng. Có 8 dạng trong suốt : - Trong suốt truy cập: che dấu cách biểu diễn dữ liệu và cách thức truy cập tài nguyên. - Trong suốt vị trí : che dấu vị trí thực của tài nguyên. - Trong suốt di trú : che dấu khả năng di trú (di chuyển từ nơi này sang nơi khác) của tài nguyên. - Trong suốt định vị lại : che dấu khả năng tài nguyên có thể di chuyển từ nơi này đến nơi khác ngay cả khi đang được sử dụng. - Trong suốt bản sao : che dấu các bản sao được nhân ra. - Trong suốt về tương tranh. - Trong suốt về lỗi. Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 6 IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing - Trong suốt truy cập nhanh. c/ Tính mở (openess) Một hệ phân tán được gọi là có tính mở nếu nó có khả năng bổ sung thêm các dịch vụ mới mà không làm ảnh hưởng xấu đến các dịch vụ đã có. d/ Tính co dãn (scalability) Một hệ phân tán được gọi là có tính co dãn nếu nó có thể thích nghi được với những sự thay đổi qui mô của hệ thống. Tính co dãn thể hiện trên 3 khía cạnh. - Dễ dàng bổ sung thêm tài nguyên và người sử dụng. - Hệ thống thay đổi qui mô về mặt địa lý. - Hệ thống thay đổi qui mô về quản trị. e/ Tính chịu lỗi (Fault tolerance) Xử lý được những lỗi xảy ra trong quá trình làm việc. Bên cạnh tính chịu lỗi luôn đi kèm theo là khắc phục lỗi. f/ Tính an toàn an ninh (security): phải thống phải đảm bảo được tài nguyên không bị mất mát, không bị phá huỷ, không bị sửa đổi nếu không có quyền. 2.5. Các lĩnh vực ứng dụng Cung cấp những thuận lợi cho việc tính toán đa mục đích đến những nhóm người dùng, tự động hoá công việc ngân hàng và hệ thống truyền thông đa phương tiện, ngoài ra chúngcòn bao quát toàn bộ những ứng dụng thương mại và kĩ thuật. Hệ phân tán đã trở thành tiêu chuẩn để tổ chức về mặt tính toán. Nó có thể được sử dụng cho việc thực hiện tương tác hệ thống tính toán đa mục đích trong UNIX và hỗ trợ cho phạm vi rộng của thương mại và ứng dụng công nghiệp của những máy tính. 3. Tính toán phân tán rộng khắp 3.1. “Tính toán rộng khắp” là gì? Tính toán khắp nơi (Ubiquitous computing) là một khái niệm kỹ thuật để chỉ một xu hướng trong việc phát triển các phương pháp tính toán. Thay vì chúng ta tính toán xử lý trong một chiếc máy tính để bàn hay máy tính xách tay của mình, thì kỹ thuật này sẽ cho phép chúng ta đưa việc tính toán vào chính môi trường sống của mình, hay nói một cách đơn giản là việc tính toán xử lý sẽ được thực hiện mọi lúc mọi nơi. Mark Weiser, người đầu tiên đưa ra khái niệm về tính toán rộng khắp đã nói: “Tính toán rộng khắp để chỉ làn sóng thứ ba trong công nghệ tính toán, nó đang bắt đầu. Làn sóng đầu tiên là các máy tính lớn, mỗi máy được chia sẻ bởi nhiều người sử dụng. Còn bây giờ là kỉ nguyên của máy tính cá nhân, nơi mà con người và máy móc không dễ gì Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 7 IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing hiểu nhau qua giao diện làm việc. Tiếp theo sẽ là tính toán rộng khắp, hay thời đại của "công nghệ lặng lẽ", khi mà kĩ thuật lùi xuống làm nền cho cuộc sống của chúng” Mark Weiser cũng mô tả rằng: “hãy tưởng tượng rằng mỗi con người có hàng trăm các thiết bị không dây xung quanh với đủ các kích cỡ khác nhau (màn hình từ cỡ 1 inch cho đến lớn bằng cả bức tường), khi đó đòi hỏi phải có những hệ điều hành mới, những giao diện người dùng mới, những công nghệ mạng, các cách hiển thị mới, và rất nhiều những việc cần làm khác. Đó chính là “tính toán rộng khắp”.”. Trong thế giới của tính toán rộng khắp, sẽ có một công nghệ đồng nhất được áp dụng, nó được triển khai trên tất cả các thiết bị mà ta sử dụng kể cả không gian. Ý tưởng của công nghệ này khẳng định tính toán sẽ trở thành một công cụ hết sức tự nhiên, mạnh mẽ và có ích với tất cả những ai sử dụng nó. 3.2. Vị trí của “Tính toán rộng khắp” Với ý nghĩa và tiềm năng to lớn của nó, tính toán rộng khắp nơi đang được nghiên cứu và phát triển cùng với rất nhiều những lĩnh vực của công nghệ thông tin như tính toán phân tán (distributed computing), tính toán di động (mobile computing), tương tác người máy (human-computer interaction), trí tuệ nhân tạo (artifacial intelligence). 3.3. Công nghệ nano và công nghệ không dây Nếu máy tính đang được ở khắp mọi nơi, không phô trương, và thực sự hữu ích, chúng phải càng nhỏ và giữa chúng có khả năng giao tiếp. Phong trào về công nghệ hỗ trợ các mục tiêu này đã được tiến hành tự đánh giá theo công nghệ nano và công nghệ không dây.[2] 3.3.1 Công nghệ nano Xu hướng thu nhỏ kích thước của các linh kiện máy tính xuống đến một quy mô nguyên tử được gọi là công nghệ nano. Công nghệ nano liên quan đến việc xây dựng các máy tính được thu nhỏ nhưng cấu hình cao từ từng nguyên tử hay phân tử hoạt động như bóng bán dẫn, đó là trung tâm của các chip máy tính. Số lượng bóng bán dẫn trong một con chip đánh giá độ mạnh, yếu của chip đó. Vì vậy, thu nhỏ kích thước cực các bóng bán dẫn theo công nghệ nano cho mức độ ấn tượng của sức mạnh tính toán sẽ được đưa vào các gói nhỏ, sau đó có thể kín đáo giấu đi.[2] 3.3.2 Công nghệ không dây Công nghệ không dây đề cập đến việc sử dụng các công nghệ không dây để kết nối các máy tính vào mạng. Công nghệ không dây là rất hấp dẫn vì nó cho phép người lao động thoát khỏi dây buộc cáp mạng và truy cập mạng và các dịch vụ truyền thông từ bất cứ nơi nào trong khu vực kiểm soát của mạng không dây. Công nghệ không dây đã thu Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 8 IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing hút sự quan tâm thị trường khổng lồ, với sự chứng kiến của nhu cầu tiêu dùng cho các mạng không dây, có thể được mua với giá vài trăm đô la.[2] 3.4. Ngữ cảnh - Nhận thức và sự tương tác tự nhiên Máy tính nhỏ có giao tiếp không dây cung cấp một cơ sở hạ tầng cần thiết cho tính toán rộng khắp. Tuy nhiên, cơ sở hạ tầng chỉ là một nửa của chiến lược. Như đã nói ở trên, tính toán rộng khắp nhằm mục đích làm cho máy tính hữu ích hơn và dễ dàng hơn để sử dụng. Máy tính sẽ có thể dự đoán nhu cầu của người sử dụng một cách chính xác và phù hợp với chế độ giao tiếp tự nhiên và cách thức của mình. Những chủ đề này được xem xét trọng tâm trong phạm vi tính toán rộng khắp của máy tính nhận biết ngữ cảnh và tương tác tự nhiên. 3.4.1 Ngữ cảnh – Nâng cao nhận thức Sự hứa hẹn của ngữ cảnh nâng cao nhận thức là máy tính sẽ có thể hiểu đủ về tình hình hiện tại của người dùng để cung cấp các dịch vụ, tài nguyên, hoặc thông tin liên quan đến bối cảnh cụ thể. Các thuộc tính của bối cảnh cho một tình huống cụ thể khác nhau, và có thể bao gồm vị trí của người dùng, vai trò hiện tại (mẹ, con gái, văn phòng quản lý, huấn luyện viên bóng đá, .), hoạt động trong quá khứ, và trạng thái tình cảm. Ngoài người sử dụng, bối cảnh có thể bao gồm ngày hiện tại và thời gian, và các đối tượng khác và những người trong môi trường.Việc áp dụng các bối cảnh có thể bao gồm bất kỳ sự kết hợp của các yếu tố này.Ví dụ, một bản đồ nhận biết ngữ cảnh có thể sử dụng các thông tin mà người sử dụng là xa nhà, không có cuộc hẹn, và rằng thời gian 6:00 vào buổi tối để xác định rằng người sử dụng có thể sẽ sớm được quan tâm đến bữa ăn tối. Sau đó nó sẽ chuẩn bị để cung cấp hướng dẫn người sử dụng cho các nhà hàng gần đó nên họ làm cho một yêu cầu như vậy. 3.4.2. Tương tác tự nhiên Hiện nay, việc sử dụng máy tính là một phần của công việc, chúng tôi đang cố gắng để thực hiện cái gì khác để tập trung vào học, hoặc làm để hoàn thành một mục tiêu. Ý tưởng đằng sau sự tương tác tự nhiên là các máy tính cung cấp dịch vụ, tài nguyên, hoặc thông tin cho người sử dụng mà không cần người dùng phải suy nghĩ về các quy tắc làm thế nào để sử dụng máy tính để có được chúng. Bằng cách này, người dùng không bận tâm với các nhiệm vụ kép của việc sử dụng máy tính và nhận được các dịch vụ, tài nguyên, hoặc thông tin. Donald Norman, một nhà nghiên cứu nổi tiếng trong con người-máy tính tương tác, đã từng nói rằng ông không muốn có một trình xử lý văn bản, ông muốn có một lá thư của nhà văn - cho phép nó thực hiện được những công việc như viết một lá thư. Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 9 IT6040 – Nguyên lý và mô thức phát triển Hệ phân tán – Ubiquioust Computing 3.5. Sự hứa hẹn của mô hình tính toán phân tán rộng khắp Các yếu tố của mô hình tính toán phân tán rộng khắp: công nghệ nano, công nghệ không dây, ngữ cảnh- nhận thức, và tương tác tự nhiên cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ để đạt được sự hứa hẹn của mô hình tính toán phân tán rộng khắp. Nhằm cung cấp một hiệu ứng tốt hơn về những gì tương lai này nắm giữ, chúng ta hãy nhìn vào mô hình tính toán phân tán rộng khắp như thế nào có thể diễn ra trong công việc. 4. Phân loại các ứng dụng của mô hình tính toán phân tán rộng khắp Mô hình tính toán phân tán rộng khắp đang nổi lên như một mô hình mới trong công nghệ thông tin thế hệ tiếp theo. Mô hình mới này đã được thể hiện vào các mô hình kinh doanh lớn và rất nhiều các ứng dụng công nghệ liên quan rộng khắp. Trong nghiên cứu này, một phân loại tư duy mới cho các ứng dụng kinh doanh và công nghệ được đề nghị. Để chứng minh giá trị đích thực, hai trường hợp ứng dụng của các phân loại được tiến hành. 4.1. Tóm tắt Nhiều ứng dụng Công nghệ thông tin (IT) cho phép con người nâng cao chất lượng cuộc sống, các công ty thực hiện đổi mới kinh doanh hoặc thu thập thiết kế các mô hình mới. Việc đổi mới môi trường IT đã trải qua bốn giai đoạn. Đầu tiên là “ đổi mới tính toán lớn”, 'thứ hai, "đổi mới tính toán cá nhân và, sự đổi mới của giai đoạn thứ ba là “môi trường tính toán phân tán”, giai đoạn thứ tư “đổi mới mô hình tính toán phân tán rộng khắp”. Tại thời điểm này, đổi mới mô hình tính toán phân tán rộng khắp, dựa trên một mạng lưới liên kết đến mọi đối tượng, được coi như là một công nghệ tổng hợp giữa không gian vật lý và điện tử. Mark Weiser định nghĩa đặc điểm chính của mô hình tính toán phân tán rộng khắp như sau. Đầu tiên, mọi máy tính có thể được kết nối với mạng. Thứ hai, người sử dụng không cần được nhận thức trong quá trình liên kết. Thứ ba, thông qua giao diện thân thiện với con người, phù hợp với tình hình cung cấp dịch vụ trên mạng tại đúng thời điểm. Trên nền tảng của những đặc tính này, nhiều quốc gia như Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản và Hàn Quốc đang cố gắng chủ động liên quan đến tiêu chuẩn và công nghệ của mô hình tính toán phân tán rộng khắp. Trong nghiên cứu này, các nghiên cứu trước đây của mô hình tính toán phân tán rộng khắp được gợi ý trong phần sau. Trong phần 3, phân loại tư duy mới cho các ứng dụng trong mô hình tính toán phân tán rộng khắp được phát triển. Trong phần 4, áp dụng cho các dịch vụ tính toán phân tán rộng khắp hiện hành và các ứng dụng, ý nghĩa của kết quả lập bản đồ, những nghiên cứu trong tương lai sẽ được gợi ý. Nguyễn Thị Huyền – Đào Minh Tuấn – Lê Thị Thu Hà 10 . của mô hình tính toán phân tán rộng khắp 4.2.2. Phân loại sơ đồ mô hình tính toán phân tán rộng khắp Để hiểu được mô hình tính toán phân tán rộng khắp, . là “môi trường tính toán phân tán , giai đoạn thứ tư “đổi mới mô hình tính toán phân tán rộng khắp . Tại thời điểm này, đổi mới mô hình tính toán phân tán