Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật toán lý thuyết đồ thị
http://etrithuc.vnTRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM HUỲNH BÁ THANH TÙNG TRẦN VIỆT CƯỜNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ KHOÁ LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC TP. HCM, NĂM 2005 http://etrithuc.vnTRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM HUỲNH BÁ THANH TÙNG - 0112079 TRẦN VIỆT CƯỜNG - 0112339 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS. TRẦN ĐAN THƯ Th.S NGUYỄN THANH SƠN NIÊN KHÓA 2001-2005 http://etrithuc.vnNHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN http://etrithuc.vnNHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN http://etrithuc.vnLỜI CẢM ƠN Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Thầy Trần Đan Thư và thầy Nguyễn Thanh Sơn, hai Thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Chúng con xin gửi tất cả lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng đến ông bà, cha mẹ, cùng toàn thể gia đình, những người đã nuôi dạy chúng con trưởng thành đến ngày hôm nay. Chúng em cũng xin chân thành cám ơn quý Thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em thực hiện tốt luận văn này. Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ, động viên và chỉ bảo rất nhiệt tình của các anh chị và tất cả các bạn, những người đã giúp chúng tôi có đủ nghị lực và ý chí để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn luận văn không khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô và các bạn. TP.HCM, 7/2005 Nhóm sinh viên thực hiện Huỳnh Bá Thanh Tùng - Trần Việt Cường http://etrithuc.vnLỜI NÓI ĐẦU Nhân lọai ngày nay đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành Công nghệ Thông tin, một trong những nghành mũi nhọn của nhiều quốc gia trên thế giới. Sự phát triển vượt bậc của nó là kết quả tất yếu của sự phát triển kèm theo các thiết bị phần cứng cũng như phần mềm tiện ích. Sự phát triển đó đã kéo theo rất nhiều nghành khác phát triền theo, trong đó có lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Tuy công nghệ ngày càng phát triển, tốc độ xử lý của các thiết bị cũng không ngừng tăng cao, nhưng nhu cầu tính toán của con người vẫn còn là rất lớn. Hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề mà các nhà khoa học cùng với khả năng tính toán của các máy tính hiện nay vẫn chưa giải quyết được hay giải quyết được nhưng với thời gian rất lớn. Các vấn đề đó có thể có thể là : • Mô hình hóa và giả lập • Xử lý thao tác trên các dữ liệu rất lớn • Các vấn đề “grand challenge” (là các vấn đề không thể giải quyết trong thời gian hợp lý) Lời giải cho những vấn đề này đã dẫn đến sự ra đời của các thế hệ siêu máy tính. Tuy nhiên việc đầu tư phát triển cho các thiết bị này gần như là điều quá khó khăn đối với nhiều người, tổ chức, trường học…. Chính vì lẽ đó mà ngày nay người ta đang tập trung nghiên cứu cách cách sử dụng các tài nguyên phân bố một cách hợp lý để tận dụng được khả năng tính toán của các máy tính đơn. Những giải pháp này được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau như meta-computing, salable-computing, global- computing, internet computing và gần nhất hiện nay là peer to peer computing hay Grid computing. Đây là phương pháp nhằm tận dụng khả năng của các máy tính trên toàn mạng thành một máy tính “ảo” duy nhất, nhằm hợp nhất tài nguyên tính toán ở nhiều nơi trên thế giới để tạo ra một khả năng tính toán khổng lồ, góp phần giải http://etrithuc.vn quyết các vấn đề khó khăn trong khoa học và công nghệ. Ngày nay nó đang càng được sự hỗ trợ mạnh hơn của các thiết bị phần cứng, băng thông… Grid Computing có khả năng chia sẻ, chọn lựa, và thu gom một số lượng lớn những tài nguyên khác nhau bao gồm những siêu máy tính, các hệ thống lưu trữ, cùng với những nguồn dữ liệu, các thiết bị đặt biệt… Những tài nguyên này được phân bố ở các vùng địa lý khác nhau và thuộc về các tổ chức khác nhau. Hình ảnh minh họa cho các tài nguyên phân phối Nhận thấy được nhu cầu phát triển ấy, nhóm chúng em đã quyết định chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật toán lý thuyết đồ thị” Mục tiêu của đề tài đề ra tìm hiểu được về tính toán lưới qua đó tận dụng các kiến thức có được để có thể cài đặt một số thuật toán trên lý thuyết đồ thị, nhằm có thể giải quyết các vấn đề tìm đường đi khi số đỉnh tương đối lớn… Các nội dung chính: • Nghiên cứu tính toán lưới http://etrithuc.vn • Tìm hiểu các môi trường hỗ trợ • Tìm hiểu lập trinh song song và phân tán • Cài đặt một số thuật toán với kiến thức có được Nội dung của luận văn được chia làm 6 chương : Chương 1. Giới thiệu : Giới thiệu tổng quan về tính toán lưới, khái niệm lịch sử phát triển. Chương 2. Tính toán song song và phân bố : Trình bày về các kiến trúc, mô hình xử lý song song và phân bố, cách thức xây dựng chương trình, thiết kế thuật toán… Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới : Tìm hiểu về các môi trường đang được sử dụng và nghiên cứu hiện nay trên thế giới. Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI : Mô hình cụ thể được dùng để phát triển ứng dụng MPI. Chương 5. Thử nghiệm các thuật toán lý thuyết đồ thị : Cách thức xây dựng chương trình , các khái niệm lý thuyết, thực nghiệm thực tế … Chương 6. Kết luận – Hướng phát triển : Nêu các kết quả đã đạt được, một số vấn đề còn tồn tại, định hướng mục tiêu mở rông phát triển đề tài trong tương lai. http://etrithuc.vn Mục lục Chương 1. Giới thiệu . 14 1.1. Các khái niệm 14 1.2. Những thách thức đối với tính toán lưới 17 Chương 2. Tính toán song song và phân bố 18 2.1. Khái niệm . 18 2.2. Nền tảng tính toán song song và phân bố . 19 2.2.1. Kiến trúc xử lý song song và phân bố . 19 2.2.2. Tổ chức vật lý của các nền tảng song song và phân bố . 26 2.3. Một số mô hình lập trình song song thông dụng . 27 2.3.1. Mô hình chia sẽ không gian bộ nhớ . 27 2.3.2. Mô hình truyền thông điệp 28 2.4. Cách thức xây dựng một chương trình song song và phân bố . 30 2.4.1. Các thuật ngữ căn bản 31 2.4.2. Thiết kế thuật toán song song 33 2.4.3. Một số phương pháp tối ưu 46 2.4.4. Các mô hình thuật toán song song . 50 Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới . 55 3.1. Giới thiệu 55 3.2. Các vấn đề khi lập trình luới 56 3.2.1. Tính mang chuyển, tính khả thi và khả năng thích ứng . 56 3.2.2. Khả năng phát hiện tài nguyên 57 3.2.3. Hiệu năng . 57 3.2.4. Dung lỗi . 58 3.2.5. Bảo mật 58 3.2.6. Các siêu mô hình 59 3.3. Tồng quát về các môi trường hỗ trợ 59 http://etrithuc.vn 3.3.1. Một số môi trường Grid . 59 3.3.2. Những mô hình lập trình và công cụ hỗ trợ . 63 3.3.3. Môi trường cài đặt . 69 3.4. Những kỹ thuật nâng cao hỗ trợ lập trình 81 3.4.1. Các kỹ thuật truyền thống 81 3.4.2. Các kỹ thuật hướng dữ liệu 82 3.4.3. Các kỹ thuật suy đoán và tối ưu . 83 3.4.4. Các kỹ thuật phân tán . 83 3.4.5. Nhập xuất hướng Grid . 84 3.4.6. Các dịch vụ giao tiếp cấp cao 84 3.4.7. Bảo mật 86 3.4.8. Dung lỗi . 86 3.4.9. Các siêu mô hình và hệ thống thời gian thực hướng Grid . 88 3.5. Kết luận 89 Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI 91 4.1. Các khái niệm cơ bản 92 4.2. Cấu trúc chương trình MPI 95 4.3. Trao đổi thông tin điểm-điểm . 96 4.3.1. Các thông tin của thông điệp . 97 4.3.2. Các hình thức truyền thông 97 4.3.3. Giao tiếp blocking 99 4.3.4. Giao tiếp non-blocking 103 4.4. Trao đổi thông tin tập hợp 109 4.4.1. Đồng bộ hóa . 109 4.4.2. Di dời dữ liệu trong nhóm . 109 4.4.3. Tính toán gộp . 113 4.5. Các kiểu dữ liệu . 118 4.5.1. Những kiểu dữ liệu đã được định nghĩa 118 4.5.2. Các kiểu dữ liệu bổ sung 119 [...]... c, thích h p, r ng kh p và chi phí th p vào các kh năng tính toán Trong etr m t tương lai không xa, nh ng grid này s ư c các k sư, nhà khoa h c, khoa h c th c nghi m, công ty, t ch c, môi trư ng, giáo d c và ào t o, khách hàng, p:/ / … s d ng r ng rãi Chúng s dành riêng cho tính toán theo yêu c u, tính toán trên thông tin nh y c m, tính toán c ng tác, và siêu tính toán, d a trên cơ s c a khách hàng/nhà... Linux, hay TCF (Technical Compute Farm) c a Sun ch y h i u hành Solaris/TM Chúng ư c s d ng cho các tính toán s lư ng l n, phân ph i các tác v tính toán (thư ng là không song n song) cho các b x lý, r i thu th p l i các k t qu tính toán vào k t qu toàn c c gi l p vi c ki m tra và thi t k ith uc v Các tính toán này có th là vi c hi n th hàng ngàn khung hình làm phim hay là xây d ng th h ti p theo c a chip... ngu n tài nguyên tính toán phân tán trên Internet Các nhà khoa h c ã p:/ / t p trung và s d ng hàng trăm các máy tr m song như thi t k phân t và hi n th th c hi n các chương trình song h a máy tính Trong khi ó các nhóm nghiên c u khác ã k t h p các siêu máy tính l n l i v i nhau thành m t siêu máy htt tính o duy nh t, r i phân ph i các ph n c a m t ng d ng r t l n cho các máy tính trên m t m ng di... ph n c a công vi c vào nhi u b x lý ch y song song • Phân tán d li u nh p, xu t và trung gian cùng v i chương trình • Qu n lý truy c p vào d li u chung gi a các b x lý 2.4.1 Các thu t ng căn b n Phân h ach : là quá trình phân chia m t v n n ng b hóa các b x lý khi th c thi các chương trình song song c n tính toán thành các ith uc v • ph n nh hơn, m t vài hay t t c các ph n ó có th x lý song song Tác... n r ng, ví d như máy tính gi l p các ng d ng như tương tác gi a ch t lõng và cánh qu t c a chân v t tàu…Thêm vào ó ph m vi c a các d án nghiên c u này ã nêu ra ti m năng th c s c a m ng máy tính, cùng v i cơ s ph n m m và tin h c phát tri n nó xa hơn H th ng a b x lý (Multiprocessor Systems - MPs), Cluster, Grids là các ví d c a ki n trúc tính toán phân tán Trong MPs, các b x lý ư c k t hơp ch t ch... kh năng tính toán gi ng như cách s d ng i n hi n nay Trang 16 1.2 Nh ng thách th c i v i tính toán lư i H u h t các k thu t ph c t pbên dư i dành cho Grid hi n nay ang ư c ti p t c phát tri n Các môi trư ng Grid m u t n t i gi ng như các d án Globus và Legion án EcoGrid thì ang nghiên c u cách th c qu n lý tài nguyên, và các kh i xây d ng như v y ang t n t i trong trình qu n lý tài nguyên mang tính thương... xác nh n và truy n d li u an toàn etr • B o • Cung c p các d ch v cho phép theo dõi, qu ng cáo và k t xu t báo cáo htt p:/ / • Thi t k các nghi th c m ng cho vi c trao Trang 17 i và nh d ng thông i p Chương 2 Tính toán song song và phân b 2.1 Khái ni m Ngày nay trong khi công ngh ngày m t phát tri n thì nhu c u v t c tính toán c a các h th ng máy tính cũng ngày m t tăng cao Các lĩnh v c òi h i tính tóan... là trên m ng Internet V b n ch t, nh ng grid có m t Tóm l i Grid là m t ki n trúc tính toán phân tán cho phép chuy n giao các tài nguyên lưu tr và tính toán như th là m t d ch v trên Internet ây là bư c htt phát tri n ti p theo v cơ s h t ng k thu t, cho phép k t n i các máy tính phân tán, các thi t b lưu tr , các thi t b di ng, các thi t b di ng, các công c , cơ s d li u, và các ng d ng ph n m m, và. .. các thu t toán ma tr n, bao g m nh n ma tr n v i vector và nhân ma tr n v i ma tr n, có th ư c công th c hóa thành các thao tác trên kh i ma etr tr n Trong các công th c này, t ng ma tr n ư c xem như bao g m các kh i hay các ma tr n con, các phép tính toán ư c th c hi n trên t ng ph n t và ư c thay p:/ / th tương ng b i các phép tóan trên các kh i ma tr n con K t qu có ư c trên t ng ph n t hay trên các... h i tính tóan hi u năng cao như là mô hình s và gi l p các v n c a khoa h c và • Mô hình hóa và gi l p Mô hình các m u DNA Mô hình hóa chuy n … c nt c x lý cao như: ith uc v Ngoài ra nó còn nh m gi i quy t các l ai v n n công ngh ng c a các phi hành gia • X lý/ Thao tác trên các d li u r t l n X lý nh và tín hi u … nh a ch n p:/ / Xác etr Khai thác d li u và cơ s d li u • Các v n “grand challenge” (là . thực hiện đề tài Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật toán lý thuyết đồ thị Mục tiêu của đề tài đề ra tìm hiểu được về tính toán. TRẦN VIỆT CƯỜNG - 0112339 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC GIÁO
