Header Page of 145 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ——————————— NGUYỄN HÀ HUY CƯỜNG NGHIÊN CỨU PHÒNG CHỐNG BẾ TẮC TRONG CUNG CẤP TÀI NGUYÊN PHÂN TÁN CHO HỆ THỐNG MÁY CHỦ ẢO Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 62.48.01.01 Người hướng dẫn khoa học PGS TS Lê Văn Sơn GS TS Nguyễn Thanh Thủy Đà Nẵng - 2017 Footer Page of 145 Header Page of 145 Công trình hoàn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Phản biện 1: PGS TS Võ Viết Minh Nhật Phản biện 2:PGS TS Nguyễn Thành Bình Phản biện 3:PGS TS Ngô Hồng Sơn Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp sở họp vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Footer Page of 145 Header Page of 145 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Hà Huy Cường (2012) Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 50(3E), pp 1324-1331 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn, Nguyễn Thanh Thủy (2013) Ứng dụng thuật toán Kshemkalyani-Singhal phát bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Hội nghị Quốc gia lần thứ VI Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), Huế, 20 – 21/6/2013, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội, pp 602-608 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn (2013) Một sách hiệu cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia “Một số vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin Truyền thông”, Đà Nẵng, 14-15 tháng 11 năm 2013, NXB Khoa Học Tự Nhiên Kỹ Thuật, Hà Nội, pp 186-192 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn (2014) Kỹ thuật cung cấp tài nguyên cho lớp hạ tầng IaaS, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 7(80), pp 103-106 Ha Huy Cuong Nguyen, Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2014) Algorithmic approach to deadlock detection for resource allocation in heterogeneous platforms,Proceedings of 2014 International Conference on Smart Computing, 3-5 November, HongKong, China, IEEE Computer Society Press, pp 97-103 Ha Huy Cuong Nguyen, Dac Nhuong Le,Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2015) A new technical solution for resources allocation in heterogenenous distributed plaforms, Proceedings of 2015 The Sixth International Conference on the Applications of Digital Information and Web Technologies(ICADIWT2015), 10-12 Feb 2015, Macau, China, IOS Press, Volume 275, Issue 2, pp 184-194 Ha Huy Cuong Nguyen, Hung Vi Dang, Nguyen Minh Nhat Pham,Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2015) Deadlock detection for resources allocation in heterogenenous distributed plaforms, Proceedings of 2015 Advances in Intelligent Systems and Computing, June 2015, Bangkok, Thailand, Spinger, Volume 361, Issue 2, pp 285-295 Footer Page of 145 Header Page of 145 Ha Huy Cuong Nguyen (2016) Deadlock prevention for resource allocation in heterogeneous distributed platforms, Proceedings of 2016 7th International Conference on Applications of Digital Information and Web Technologies, 29-31 March 2016, Macau, China, IOS Press, Volume 282, pp 40-49 Ha Huy Cuong Nguyen, Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2016) Deadlock Prevention for Resource Allocation in model nVM-out-of-1PM, Proceedings of 2016 3th National Foundation for Science and Technology Development Conference on Information and Computer Science (NICS) , 14-16 September 2016, The University of Da Nang, Viet Nam, IEEE Computer Society Press, pp 247252 Footer Page of 145 Header Page of 145 MỞ ĐẦU Vấn đề cung cấp tài nguyên hệ thống tính toán phân tán quy mô lớn tính toán lưới, tính toán đám mây nghiên cứu vài thập kỷ gần Trong năm 2016, theo đánh giá Hiệp hội Điện toán Đám mây châu Á (CloudAsia) vấn đề cung cấp tài nguyên, dịch vụ quan trọng điện toán đám mây trở thành yêu cầu chủ yếu ứng dụng khoa học công nghệ công nghiệp Trong bảng số liệu thống kê năm 2016 số sẵn sàng dịch vụ điện toán đám mây Việt Nam đứng thứ 14 so với nước châu Á HongKong có bước nhảy vọt vượt qua Japan xếp đầu bảng xếp hạng, tăng điểm, Japan bị giảm điểm Trong nghiên cứu trước đây, phương pháp cung cấp tài nguyên thường áp dụng cho trường hợp sử dụng cụ thể Khi đánh giá mức độ hiệu hệ thống cung cấp tài nguyên, nghiên cứu chủ yếu dựa vào thời gian chờ hàng đợi, băng thông, tốc độ truy cập hay tổng thời gian tiến trình đợi trước thực thi Hệ thống máy chủ ảo tạo từ trung tâm liệu DC (Data Center ) Các trung tâm liệu thiết lập từ hàng trăm máy chủ vật lí (gọi dịch vụ sở hạ tầng) Tài nguyên vật lí máy chủ thường là: xử lí trung tâm CPU (Central Processing Unit), nhớ RAM (Random Access Memory), ổ đĩa cứng HDD (Hard Disk Drive), gọi tài nguyên phần cứng Ngoài ra, nguồn tài nguyên khác xem xét trình ứng dụng, gói phần mềm sở liệu, gọi tài nguyên mềm Việc tạo lập sách cung cấp tài nguyên, đáp ứng yêu cầu tài nguyên từ phía người sử dụng phụ thuộc vào khả lõi vi xử lí CP (Core Proccessor ) xử lí trung tâm CPU máy chủ vật lí Tại trung tâm liệu, máy chủ ảo tạo sở trừu tượng hóa tài nguyên máy chủ vật lí, cho phép triển khai dịch vụ ảo hóa Tuy nhiên, để khắc phục vấn đề thiếu thốn tài nguyên, giảm độ trễ đám mây khả cải thiện hiệu suất mạng, máy chủ ảo (theo yêu cầu nhóm người sử dụng) phải tạo trung tâm liệu thích hợp Các nghiên cứu, chậm trễ cung cấp tài nguyên làm cho lưu lượng biến động Do vậy, trường hợp xấu gây ổn định môi trường điện toán đám mây Bế tắc vấn đề khó khăn thiết kế trì hoạt động máy chủ ảo Giải bế tắc giúp cung cấp tài nguyên cách hiệu quả, không tốn thời gian quay vòng lặp, khả sẵn sàng đảm bảo độ tin cậy hệ thống Vấn đề giải cấp độ khác hệ thống máy chủ Footer Page of 145 Header Page of 145 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Hà Huy Cường (2012) Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 50(3E), pp 1324-1331 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn, Nguyễn Thanh Thủy (2013) Ứng dụng thuật toán Kshemkalyani-Singhal phát bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Hội nghị Quốc gia lần thứ VI Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), Huế, 20 – 21/6/2013, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội, pp 602-608 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn (2013) Một sách hiệu cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia “Một số vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin Truyền thông”, Đà Nẵng, 14-15 tháng 11 năm 2013, NXB Khoa Học Tự Nhiên Kỹ Thuật, Hà Nội, pp 186-192 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn (2014) Kỹ thuật cung cấp tài nguyên cho lớp hạ tầng IaaS, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 7(80), pp 103-106 Ha Huy Cuong Nguyen, Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2014) Algorithmic approach to deadlock detection for resource allocation in heterogeneous platforms,Proceedings of 2014 International Conference on Smart Computing, 3-5 November, HongKong, China, IEEE Computer Society Press, pp 97-103 Ha Huy Cuong Nguyen, Dac Nhuong Le,Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2015) A new technical solution for resources allocation in heterogenenous distributed plaforms, Proceedings of 2015 The Sixth International Conference on the Applications of Digital Information and Web Technologies(ICADIWT2015), 10-12 Feb 2015, Macau, China, IOS Press, Volume 275, Issue 2, pp 184-194 Ha Huy Cuong Nguyen, Hung Vi Dang, Nguyen Minh Nhat Pham,Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2015) Deadlock detection for resources allocation in heterogenenous distributed plaforms, Proceedings of 2015 Advances in Intelligent Systems and Computing, June 2015, Bangkok, Thailand, Spinger, Volume 361, Issue 2, pp 285-295 Footer Page of 145 Header Page of 145 Ha Huy Cuong Nguyen (2016) Deadlock prevention for resource allocation in heterogeneous distributed platforms, Proceedings of 2016 7th International Conference on Applications of Digital Information and Web Technologies, 29-31 March 2016, Macau, China, IOS Press, Volume 282, pp 40-49 Ha Huy Cuong Nguyen, Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2016) Deadlock Prevention for Resource Allocation in model nVM-out-of-1PM, Proceedings of 2016 3th National Foundation for Science and Technology Development Conference on Information and Computer Science (NICS) , 14-16 September 2016, The University of Da Nang, Viet Nam, IEEE Computer Society Press, pp 247252 Footer Page of 145 Header Page of 145 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Hà Huy Cường (2012) Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 50(3E), pp 1324-1331 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn, Nguyễn Thanh Thủy (2013) Ứng dụng thuật toán Kshemkalyani-Singhal phát bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Hội nghị Quốc gia lần thứ VI Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), Huế, 20 – 21/6/2013, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội, pp 602-608 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn (2013) Một sách hiệu cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia “Một số vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin Truyền thông”, Đà Nẵng, 14-15 tháng 11 năm 2013, NXB Khoa Học Tự Nhiên Kỹ Thuật, Hà Nội, pp 186-192 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn (2014) Kỹ thuật cung cấp tài nguyên cho lớp hạ tầng IaaS, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 7(80), pp 103-106 Ha Huy Cuong Nguyen, Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2014) Algorithmic approach to deadlock detection for resource allocation in heterogeneous platforms,Proceedings of 2014 International Conference on Smart Computing, 3-5 November, HongKong, China, IEEE Computer Society Press, pp 97-103 Ha Huy Cuong Nguyen, Dac Nhuong Le,Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2015) A new technical solution for resources allocation in heterogenenous distributed plaforms, Proceedings of 2015 The Sixth International Conference on the Applications of Digital Information and Web Technologies(ICADIWT2015), 10-12 Feb 2015, Macau, China, IOS Press, Volume 275, Issue 2, pp 184-194 Ha Huy Cuong Nguyen, Hung Vi Dang, Nguyen Minh Nhat Pham,Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2015) Deadlock detection for resources allocation in heterogenenous distributed plaforms, Proceedings of 2015 Advances in Intelligent Systems and Computing, June 2015, Bangkok, Thailand, Spinger, Volume 361, Issue 2, pp 285-295 Footer Page of 145 Header Page of 145 Ha Huy Cuong Nguyen (2016) Deadlock prevention for resource allocation in heterogeneous distributed platforms, Proceedings of 2016 7th International Conference on Applications of Digital Information and Web Technologies, 29-31 March 2016, Macau, China, IOS Press, Volume 282, pp 40-49 Ha Huy Cuong Nguyen, Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2016) Deadlock Prevention for Resource Allocation in model nVM-out-of-1PM, Proceedings of 2016 3th National Foundation for Science and Technology Development Conference on Information and Computer Science (NICS) , 14-16 September 2016, The University of Da Nang, Viet Nam, IEEE Computer Society Press, pp 247252 Footer Page of 145 Header Page 10 of 145 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Hà Huy Cường (2012) Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 50(3E), pp 1324-1331 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn, Nguyễn Thanh Thủy (2013) Ứng dụng thuật toán Kshemkalyani-Singhal phát bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Hội nghị Quốc gia lần thứ VI Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), Huế, 20 – 21/6/2013, NXB Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Hà Nội, pp 602-608 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn (2013) Một sách hiệu cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia “Một số vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin Truyền thông”, Đà Nẵng, 14-15 tháng 11 năm 2013, NXB Khoa Học Tự Nhiên Kỹ Thuật, Hà Nội, pp 186-192 Nguyễn Hà Huy Cường, Lê Văn Sơn (2014) Kỹ thuật cung cấp tài nguyên cho lớp hạ tầng IaaS, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 7(80), pp 103-106 Ha Huy Cuong Nguyen, Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2014) Algorithmic approach to deadlock detection for resource allocation in heterogeneous platforms,Proceedings of 2014 International Conference on Smart Computing, 3-5 November, HongKong, China, IEEE Computer Society Press, pp 97-103 Ha Huy Cuong Nguyen, Dac Nhuong Le,Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2015) A new technical solution for resources allocation in heterogenenous distributed plaforms, Proceedings of 2015 The Sixth International Conference on the Applications of Digital Information and Web Technologies(ICADIWT2015), 10-12 Feb 2015, Macau, China, IOS Press, Volume 275, Issue 2, pp 184-194 Ha Huy Cuong Nguyen, Hung Vi Dang, Nguyen Minh Nhat Pham,Van Son Le, Thanh Thuy Nguyen (2015) Deadlock detection for resources allocation in heterogenenous distributed plaforms, Proceedings of 2015 Advances in Intelligent Systems and Computing, June 2015, Bangkok, Thailand, Spinger, Volume 361, Issue 2, pp 285-295 Footer Page 10 of 145 Header Page 20 of 145 10 Đầu vào: Yêu cầu tài nguyên phần cứng tiến trình Pi để tạo máy chủ ảo gửi tới lớp hạ tầng dịch vụ (IaaS) j(CP U )∗ Dưới dạng tham số tài nguyên xi , xi j(RAM )∗ , xi j(HDD)∗ (n+1) (n+1) (n+1) Đầu ra: Tài nguyên cung cấp cho tiến trình Pi : rjCP U ; rjRAM ; rjHDD Phương pháp: Bước 1:Thực lại bước đáp ứng yêu cầu tài nguyên thuật toán 2.1 Trong trường hợp tài nguyên hệ thống thời điểm xét cập nhật nhỏ tổng tiến trình thực bước sau Bước 2:Khởi tạo ma trận biễu diễn dựa vào đồ thị cung cấp tài nguyên RAG Xác định ma trận cij biểu thị thông tin tài nguyên cung cấp cho tiến trình khác bị chiếm giữ    r ∃ (pi , qj ) ∈ RAG C = [cij ]m×n , cij = g ∃ (pi , qj ) ∈ RAG   Λ = {cij |cij ∈ C, cij = 0}; Bước 3:Thực phát chu trình ma trận cij { Reducible = 0; Do Loại bỏ theo cột: If ((∃cij ∈ ∀k, k = i, ckj ∈ {cij , 0})) { Λcolumn = Λ − {cij |j = 1, 2, 3, , m}; reducible = 1; }; Loại bỏ theo hàng: If ((∃cij ∈ ∀k, k = i, ckj ∈ {cij , 0}) { Λrow = Λ − {cij |j = 1, 2, 3, , m}; reducible = }; Λ = Λcolumn ∩ Λrow Until (reducible = 0); } Footer Page 20 of 145 Header Page 21 of 145 11 Bước 4:Phát bế tắc Nếu (Λ = ∅) Bế tắc; Ngược lại Không bế tắc; Trong lần lặp thuật toán song song này, việc xóa bỏ phần tử hàng cột thực ma trận khả dụng Do đó, phải min(m,n) lặp lặp lại để hoàn tất việc phát bế tắc Chứng minh: Xét ba trường hợp sau đây: - Trong trường hợp (i), m = n, chu trình có đường dài p1 , q1 , p2 , q2 , , pn , qm đường duyệt qua tất nút đồ thị, nút nằm đường khác ( ví dụ: nút liệt kê lần) Trong trường hợp này, số cạnh liên quan đến đường chu trình 2*m-1 - Đối với trường hợp (ii), m > n (tức là, m - n> ), chu trình có đường dài p1 , q1 , p2 , q2 , , pn ,qm , qm+1 ; đường hữu hạn nút duyệt lần Vì tất nút tiến trình n sử dụng đường chu trình Do đó, trường hợp số lượng cạnh đường * n - Đối với trường hợp (iii), n lớn m (tức là, n-m> ), tương tự ta có số cạnh đường dài * m Như vậy, trường hợp (i), (ii) (iii) cho thấy số lượng đường dài duyệt qua tất đỉnh đồ thị RAG max(m,n) Điều phải chứng minh Khi thực thuật toán tảng không nhất, chi phí tìm chu trình max(m,n) - = O (max (m,n)), m số lượng tài nguyên n số lượng tiến trình Khi tất nút đồ thị duyệt, chu kỳ ngắn có độ dài Vì vậy, trường hợp xấu nhất, max (m, n) - số lượng cạnh đường dài Tuy nhiên, không tìm chu kỳ Xét độ phức tạp thuật toán cải tiến PDDA Tại bước độ phức tạp thuật O(N ) Bước có độ phức tạp O(M.N ) Bước sử dụng vòng lặp kiểm tra cạnh hàng ma trận, có độ phức tạp O(M ) O(N ) Vì vậy, độ phức tạp thuật toán đề xuất O(M.N ), với M số phần tử hàng N số phần tử cột Footer Page 21 of 145 Header Page 22 of 145 12 Thuật toán phát bế tắc triển khai thử nghiệm hệ thống cung cấp tài nguyên tảng không Thuật toán phát bế tắc có độ phức tạp thời gian tính toán O(M.N ) Thuật toán cải tiến đáng kể so với thuật toán nghiên cứu tác giả Theo tiếp cận luận án thuật toán cung cấp tài nguyên phát bế tắc để đưa giải pháp cho tình huống, chẳng hạn giải phóng nguồn tài nguyên cung cấp trước chưa thu hồi Cách tiếp cận tiếp sau đề xuất hướng vào áp dụng thuật toán phát bế tắc loại hợp đồng thuê thuật toán cung cấp tài nguyên tảng phân tán không Luận án đề xuất giải pháp ngăn chặn phòng tránh bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán tảng không Qua nghiên cứu này, thấy việc áp dụng thuật toán phát bế tắc cung cấp tài nguyên với việc lập lịch lại trường hợp phù hợp cho phép đạt hiệu suất khai thác tối ưu tài nguyên, phục vụ hệ thống máy chủ ảo phân tán 3.2 Thuật toán ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên cho mô hình M VM-out-of-1 PM Trong phần đề xuất thuật toán yêu cầu tài nguyên thuật toán ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên máy chủ ảo tảng phân tán không sử dụng mô hình cung cấp tài nguyên M VM-out-of-1 PM Giải pháp dựa vào yếu tố ràng buộc hàm tính toán nhằm mang tối ưu hàm mục tiêu, từ cải thiện hiệu cung cấp cấp tài nguyên Bổ sung thêm vào sách tối ưu tài nguyên máy chủ vật lí, cách ngăn chặn tiến trình gây bế tắc tiến trình yêu cầu tài nguyên diễn miền găng Khi ngăn chặn bế tắc xảy ra, mang lại hiệu cung cấp tài nguyên, từ đáp ứng yêu cầu từ phía người sử dụng gửi tới trung tâm cung cấp dịch vụ máy chủ ảo Thực nghiệm sử dụng mô hình cung cấp tài nguyên M VM-out-of-1 PM, M VM máy chủ ảo N PM máy vật lí 3.2.1 Phân tích toán Trung tâm liệu cấp phát tài nguyên theo phương thức cho thuê thành phần ảo hóa, dựa vào nguồn tài nguyên vật lí sẵn có quy nạp từ máy chủ vật lí khác Tuy nhiên, không gian lưu trữ máy chủ vật lí trung tâm liệu trở nên hạn hẹp với yêu cầu ngày tăng lên Footer Page 22 of 145 Header Page 23 of 145 13 người sử dụng Xem xét kỹ thuật có phân tích chương 1, luận án cho kỹ thuật cách khởi động lại máy chủ thường xuyên, với giải pháp di cư máy ảo (VM) đến cư trú máy vật lí (PM) không hiệu Thay vào đó, việc tìm kiếm phương pháp cung cấp tài nguyên tự động tối ưu nguồn tài nguyên từ trung tâm liệu, để giải vấn đề cung cấp tài nguyên theo yêu cầu cho máy ảo chìa khóa để nâng cao hiệu trung tâm liệu Tuy nhiên, phương pháp cung cấp tài nguyên tự động tập trung vào hai việc tối ưu cục máy chủ tối ưu trung tâm liệu với máy chủ phân tán toàn cầu, cho thấy nhiều hạn chế, không mang lại hiệu cung cấp tài nguyên trung tâm liệu Luận án đề xuất giải pháp kỹ thuật ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên với mô hình nhiều máy ảo sử dụng máy chủ vật lí, nhằm đáp ứng yêu cầu cung cấp tài nguyên không Luận án sử dụng mô hình cung cấp tài nguyên M VM-out-of-1 PM hàm tối ưu trình bày mục 2.1 chương công bố tài liệu số (9) 3.2.2 Giải pháp kỹ thuật ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên theo mô hình M VM-out-of-1 PM) Đề xuất giải pháp kỹ thuật cung cấp nguồn tài nguyên thực dựa chế cung cấp tài nguyên tự động, nhằm hỗ trợ dịch vụ theo hướng yêu cầu người dùng, triển khai lớp hạ tầng dịch vụ (IaaS) môi trường điện toán đám mây Tại phận lập lịch có trách nhiệm lựa chọn nguồn tài nguyên thích hợp, để đáp ứng yêu cầu người sử dụng yêu cầu thông qua tác vụ cách dựa vào chế tình chế tự động Việc lập lịch cho hiệu hiệu dựa hai yếu tố là: thời gian hoàn thành để đáp ứng yêu cầu thông qua danh sách tác vụ yêu cầu hoàn thành; chi phí để thực thi tác vụ yêu cầu Tại lớp hạ tầng dịch IaaS nơi mà cung cấp tài nguyên cứng cho máy ảo, cần phải đảm bảo nguồn tài nguyên trạng thái sẵn sàng, khả nguồn cấp tài nguyên tốt nhất, nguồn tài nguyên cần cập nhật cách tự động Giải pháp kỹ thuật luận án đề xuất qua hai thuật toán cung cấp tài nguyên là: Thuật toán yêu cầu tài nguyên RRAA thuật toán ngăn chặn bế tắc PDA Nội dung kỹ thuật giải công bố công trình số (9) danh mục công trình tác giả công bố thư viện số IEEE Footer Page 23 of 145 Header Page 24 of 145 14 Thông qua giải pháp kỹ thuật này, làm tăng thêm sách hiệu cung cấp tài nguyên trung tâm liệu Đảm bảo sách cung cấp tài nguyên hiệu bao gồm trường hợp cụ thể sau: có yêu cầu cạnh tranh tài nguyên, có nhu cầu phát sinh cần thay đổi công suất hoạt động theo thời gian Thuật toán 3.4 yêu cầu cung cấp tài nguyên (RRAA) (9) j(CP U )∗ Đầu vào: Tiến trình yêu cầu tài nguyên Pi Output: Tài nguyên cung cấp rjCP U (n+1) , rjRAM j(RAM )∗ , Pi (n+1) tới IaaS; ; BEGIN Bước 1: Hoạt động yêu cầu tài nguyên (ri ) miền găng csstatei ←− trying; lrdi ←− clocki + 1; for each j ∈ Ri if (usedbyi [j] =0) the send request (lrdi ,i) to pj end for; senttoi [j] ←− true; usedbyi [j] ←− R else senttoi [j] ←−false end if end for; usedbyi [i] ← ki ; n wait( usedbyi [j] ≤ 1P M ); j=1 csstatei ←− in; Bước 1: Cập nhật lại tài nguyên (ri ) miền găng csstatei ←− out; for each j ∈ permdelayedi send permission(i,j) to pj end for; Ri ← permdelayedi ; permdelayedi ← END Footer Page 24 of 145 Header Page 25 of 145 15 Thuật toán 3.5 Prevention Deadlock Algorithm (PDA) (9) j(CP U )∗ Đầu vào: Tiến trình Pi Đầu ra: Tài nguyên rjCP U (n+1) j(RAM )∗ , Pi , rjRAM (n+1) tới IaaS; ; BEGIN Bước 1: Khi gửi thông điệp yêu cầu REQUEST(k,j) từ tiến trình pj thực clocki ← max(clocki ,n); prioi ← (csstatei = in) ∨ ((csstatei = trying) ∧ ((lrdi ,i) < (n,j))); if (prioi ) then send NOTUSED(1PM) to pj else if(ni = 1PM) then send NOTUSED(1PM - ni ) to pj end if permdelayedi ← permdelayedi ∪ j end if Bước 2: Khi nhận thông điệp cho phép permission(i,j) từ tiến trình pj 1P Mi ← 1P Mi \ j; Bước 3: Khi nhận thông điệp NOTUSED(x) từ tiến trình pj usedbyi [j] ← usedbyi [j] -x; if ((csstatei = trying) ∧ (usedbyi [j] = 0) ∧ (notsenttoi [j]) then send REQUEST(lrdi ,i) to pj senttoi [j] ← true; usedbyi [j] ← 1PM; end if END 3.2.3 Phân tích kết mô Thuật toán đề xuất cài đặt mô ngôn ngữ Java, sử dụng gói công cụ CloudSim với thông số sau: Datacenter thiết lập tài nguyên từ máy chủ vật lí Nhiệm vụ Data Center lập lịch cung cấp máy ảo VM quản lý máy chủ ảo Lập lịch Cloudlet định phân chia có tài nguyên CPU sẵn sàng tạo máy chủ ảo Có hai kiểu sách sử dụng CloudSim là: Chia sẻ không gian tức giao lõi CPU tính toán trước tới máy ảo Footer Page 25 of 145 Header Page 26 of 145 16 đặt từ trước, Chia sẻ thời gian tức tự động cung cấp khả lõi máy ảo VmSchedular định có lõi xử lý máy chủ vật lý cung cấp cho máy ảo có lõi xử lý tiếp tục giao cho máy ảo VmSchedular xác định lực lại lõi xử lý có khả để gán cho máy ảo Trong cài đặt, thuật toán sử dụng gói API CloudSim 2.0, mở rộng từ lớp DataCenterBroker lớp VmAllocationPolicySimple công cụ CloudSim để tạo sách cung cấp tài nguyên Thời gian thực tiến trình yêu cầu tạo máy ảo thời gian hoàn thành tiến trình đáp ứng yêu cầu tạo thành công máy ảo lấy ngẫu nhiên Xét trường hợp máy chủ vật lí có nguồn tài nguyên (CPU, RAM, HDD) gán cho M máy ảo cho khách hàng Một máy ảo ký hiệu Mi cấp cho r đơn vị dung lượng tài nguyên CPU, nhớ RAM đĩa lưu trữ Ta định nghĩa λn tốc độ đến khách hàng yêu cầu tạo máy ảo Mi với thời gian chờ phân bố theo hàm mũ 1/µn Kịch thử nghiệm đầu vào với thông số sau: Số tiến trình thông qua (Cloudlet) yêu cầu tạo máy ảo 15 Số lượng máy ảo (VM) yêu cầu: 15 Số máy chủ vật lí trung tâm liệu là: PM chất lượng đường truyền (bw) với thông số lý tưởng Kết liệu thu tập so sánh tổng thời gian thực thuật toán yêu cầu thể bảng 3.3 bên Kịch thử nghiệm đầu vào với số lượng yêu cầu tài nguyên tạo máy ảo không cụ thể sau: Số tiến trình thông qua (Cloudlet) yêu cầu tạo máy ảo: 15; Số lượng máy ảo (VM) yêu cầu: 15 với thông số dung lượng CPU; RAM; HDD không nhất; Số máy chủ vật lí trung tâm liệu là: PM chất lượng đường truyền (bw) với thông số lý tưởng Kết liệu thu tập so sánh tổng thời gian thực thuật toán yêu cầu thể bảng 3.4 bên Footer Page 26 of 145 Header Page 27 of 145 17 Bảng 3.1 Bảng số liệu đầu sử dụng thuật toán yêu cầu tài nguyên (RRAA) (9) Cloudlet PM ID VM ID ID Start End Finish time time time (%) 1 1 100 32.22% 2 1 110 35.00% 3 1 132 37.27% 4 1 145 43.75% 5 200 59.39% 6 220 66.05% 7 235 72.86% 8 248 74.44% 9 260 70.55% 10 10 290 74.86% 11 11 310 76.05% 12 12 315 80.86% 13 13 320 82.44% 14 14 360 84.55% 15 15 420 94.86% Qua bảng số liệu thống kê thu sử dụng công cụ mô Cloudsim để kiểm tra hiệu thuật toán yêu cầu hai trường hợp là: cung cấp tài nguyên cho máy ảo không Ta thấy thời gian hoàn thành đáp ứng yêu cầu tạo máy ảo (VM) thông qua Cloudlet trường hợp so với không √ Độ phức tạp thuật toán O( m) vòng lặp tiến trình yêu cầu tài nguyên phải duyệt qua tiến trình tài nguyên hệ thống Do đó, số tiến trình số tài nguyên lớn thuật toán phải tốn nhiều thời gian để tìm nguồn tài nguyên tối ưu Trong độ phức tạp thuật toán trước xem số, nên thời gian đưa lịch trình nhiều só với thuật toán yêu cầu đảm bảo độ phức tạp thời gian tối đa cho thuật toán Đối với thuật toán ngăn chặn trình ngăn chặn mang lại hiệu tối ưu Footer Page 27 of 145 Header Page 28 of 145 18 3.3 Thuật toán ngăn chặn bế tắc cung cấp tài nguyên cho mô hình M VM-out-of-N PM Trong phần đề xuất thuật toán phát bế tắc ngăn chặn bế tắc hệ thống cung cấp tài nguyên phân tán máy chủ ảo tảng không Giải pháp dựa cách làm cung cấp tài nguyên gom nhóm dịch vụ, sau chuyển nhóm người sử dụng cho trung tâm cung cấp dịch vụ máy chủ ảo phù hợp Thực nghiệm sử dụng mô hình cung cấp tài nguyên M VM-out-of-N PM, M VM máy chủ ảo N PM máy vật lý Nội dung nghiên cứu công bố nghiên cứu số (7)và (8) theo danh mục công trình công bố tác giả 3.3.1 Phân tích toán Hình 3.1 Cung cấp tài nguyên nhiều (M) VM máy chủ ảo nhiều máy chủ vật lý (N) PM phân tán Các nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây tuân thủ chuẩn dịch vụ sở hạ tầng (IaaS), theo thành phần tảng ảo hóa gắn cho nút, cụm khác nhóm Có thể sở tảng gắn truy cập cho nhiều nút, nút truy cập sở hạ tầng Từ góc độ người sử dụng dịch vụ điện toán đám mây, không cần phải biết nơi dịch vụ gắn với cung cấp tài nguyên Nhưng nhà quản lý cung cấp tài nguyên, cần có giải pháp mang lại cho người sử dụng tài nguyên đám mây cách nhanh chóng kịp thời đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ Footer Page 28 of 145 Header Page 29 of 145 19 Tại trung tâm liệu việc cung cấp dịch vụ độc lập, với việc cung cấp tài nguyên cho đại lý, người sử dụng dịch vụ điện toán đám mây Tuy nhiên, có thời điểm yêu cầu dịch vụ cung cấp tài nguyên cao cấp phát Dịch vụ đám mây thường xuyên truy cập từ nhà cung cấp đám mây có băng thông sử dụng tốc độ cao Do vậy, bên hệ thống thường sử dụng giải pháp xếp hàng Các yêu cầu người sử dụng xếp hàng đợi, đòi xử lý hệ thống đáp ứng yêu cầu Số lượng tiến trình xếp hàng hàng đợi thời gian xử lý tiến trình thông số quan trọng Hệ thống xếp hàng cải thiện chất lượng phục vụ nhờ gán công việc xếp hàng cho nút tính toán nhàn rỗi tải Điều cho phép đáp ứng tối đa tài nguyên gắn với nút Các hệ thống điện toán đám mây đòi hỏi phải hỗ trợ thông tin tài nguyên sử dụng giải pháp dựa ràng buộc nhóm cung cấp dịch vụ điện toán đám mây để cung cấp nguồn tài nguyên phòng ngừa phản ứng từ phía người sử dụng bị từ chối, truy cập dịch vụ đám mây Giải pháp đề xuất nhằm nâng cao chất lượng nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây quản lý dịch vụ theo hướng phân nhóm Phân nhóm tiến trình yêu cầu cung cấp dịch vụ điện toán đám mây cho phép phân tích nhóm liệu tài nguyên có yêu cầu tương tự cụm Cách tiếp cận giả định yêu cầu cung cấp dịch vụ đám mây đáp ứng nhanh với số lượng yêu cầu lớn nhờ chia sẻ dịch vụ đám mây tương tự Sự hợp tác nhà cung cấp điện toán đám mây hiệu yêu cầu dịch vụ đám mây có liên quan gộp nhóm Hình 3.11 minh họa cấu hình ban đầu nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây, trước tiến trình xếp theo nhóm dịch vụ Mỗi nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây có ID Các dịch vụ yêu cầu tài nguyên điện toán đám mây có thẻ số hiệu thẻ nằm phía bên trái hình 3.11 Cột liệu bên phải hình 3.11 nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây Cloud Service Providers (CSP) nút cho thấy dịch vụ đám mây có tổng số tài nguyên dịch vụ đám mây nắm giữ Các dịch vụ điện toán đám mây phân nhóm, i thẻ mục Tất dịch vụ đám mây gắn thẻ, cho phép thống kê tất dịch vụ đám mây phân tích cụm tính toán (cluster) Giá trị tài nguyên phục vụ liệu cho phép phân tích hoạt động cluster Phân vùng liệu thành cụm qui toán tối ưu Footer Page 29 of 145 Header Page 30 of 145 20 c Ji = mik ||uk − cvi || ) ( i=1 (3.1) uk ∈Ci Hàm mục tiêu công thức (3.1) sử dụng khoảng cách vectơ uk trung tâm cụm cvi cụm Ci M = (mik ) biểu thị quan hệ tâm cvi cụm Ci với phần tử uk cụm có giá trị uk ∈ Ci ngược lại Hàm công thức (3.1) để tìm giá trị nhỏ nhóm để xác định nhóm nhỏ gọn Giá trị Ji giảm thiểu số lần lặp và bước dừng cải tiến lần lặp, Ji cho phép ngưỡng định 3.3.2 Thuật toán phát ngăn chặn bế tắc sử dụng kỹ thuật cung cấp tài nguyên phân nhóm Thuật toán 3.6 phát ngăn chặn bế tắc theo kỹ thuật phân nhóm (7), (8) j(CP U )∗ j(RAM )∗ j(HDD)∗ Đầu vào: Yêu cầu tài nguyên xi , xi , xi tiến trình Pi tới lớp hạ tầng dịch vụ IaaS U (n+1) RAM (n+1) HDD(n+1) Đầu ra: Tài nguyên cung cấp cho tiến trình Pi rCP ; rj ; rj j Phương pháp: Bước 1: Phân vùng liệu thành c cụm từ liệu yêu cầu tài nguyên Bước 2: Thiết lập mục tiêu (uk ) tới nhóm có giá trị gần trung tâm Bước 3: Khi tất mục tiêu (uk ) thiết lập, tính toán lại giá trị điểm c trung tâm Bước 4: Thực thuật toán 3.2 PDDA song song phát bế tắc Bước 5: Ngăn chặn bế tắc { Khi nhận thông điệp REQUEST(k,j) từ tiến trình pj thực { clocki ← max(clocki ,n); prioi ← (csstatei = in)∨ ((csstatei = trying)∧ ((lrdi , i) < (n, j))); Nếu (ni = NPM) gửi NOTUSED(NPM) tới pi Ngược lại (ni = NPM) gửi NOTUSED(NPM - ni ) cho pj permdelayedi ← permdelayedi ∪ j kết thúc kiểm tra } Footer Page 30 of 145 Header Page 31 of 145 21 Khi nhận thông điệp cho phép (i,j) từ pj thực hiện: { N P Mi ← N P Mi \ j; Khi thông điệp NOTUSED(x) nhận từ tiến trình pi thực usedbyi [j]← usedbyi [j]−x; Kiểm tra điều kiện nếu((csstatei = trying) ∧ (usedbyi [j] = 0) ∧ (notsenttoi [j]) Thì gửi yêu cầu REQUEST(lrdi ,i) tới pj senttoi [j] ← true; usedbyi [j] ← NPM; Kết thúc kiểm tra điều kiện } } 3.3.3 Ví dụ kiểm chứng Mỗi lần lặp thuật toán cho phép giảm kích thước ma trận Do đó, phải max(m,n) bước lặp để phát bế tắc Các yêu cầu cung cấp dịch vụ điện toán đám mây mô tả thông qua thẻ dịch vụ điện toán đám mây (t) đầu vào cho phân cụm (cluster) Thẻ dịch vụ đám mây tương ứng với vector (uk ) hàm mục tiêu công thức (3.1) Giá trị cv tâm cụm dịch vụ điện toán đám mây, tính toán khoảng cách Euclide, công thức (3.1) Trong thực nghiệm liệu mẫu yêu cầu dịch vụ điện toán đám mây ghép thành nhóm Bảng 3.7 biểu thị giá trị thuộc tính yêu cầu cung cấp dịch vụ điện toán đám mây Hình 3.12 có thẻ thuộc tính từ T1 đến T10 Bảng 3.2 Thống kê liệu sau gộp nhóm Thuộc tính Task CSP 10 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 ID 10 Footer Page 31 of 145 Header Page 32 of 145 22 Ví dụ: Tính toán thuộc tính nhóm |1-1|+ |1-1|+|1-1|+|1-1|+|1-1|+|2-1|+|0-1|+|0-0|+|1-0|+|0-0|=4 |1-0|+|1-0|+|1-0|+|1-0|+|1-0|+|2-0|+|0-0|+|0-1|+|1-1|+|0-1|=14 |1-0|+|1-0|+|1-0|+|1-0|+|1-0|+|2-0|+|0-0|+|0-0|+|0-0|+|1-0|=13 Rút gọn giá trị nhóm tính số (J)=8.6 Đây nhóm tối ưu Phân loại nhóm theo giá trị sau: Group1: 1,2,3,7 Group2: 8,9,10 Group3: 4,5,6 Các giá trị tài nguyên yêu cầu tương ứng với vecter uk hàm mục tiêu công thức (3.1) Giá trị trung tâm cvi điều chỉnh, có thay đổi thành viên nhóm Quá trình phân cụm dựa vào hàm mục tiêu J dẫn tới trạng thái hội tụ Sau phân nhóm, nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây giao cho nhóm cụ thể trường hợp A, B, C Dựa đó, nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây thiết lập nhóm ảo, theo dịch vụ nhóm đáp ứng yêu cầu cung cấp dịch vụ điện toán đám mây 3.3.4 Phân tích kết mô Dựa kết trình bày phần 3.4.3, thực nghiệm phương pháp cung cấp tài nguyên dựa vào phân nhóm tối ưu theo người dùng cải tiến thuật toán PDDA cài đặt CloudSim Việc áp dụng tối ưu theo phân nhóm người dùng thuật toán phát tốt so với thuật toán cung cấp tài nguyên có trước Do kết luận tính đắn hiệu Footer Page 32 of 145 Header Page 33 of 145 23 Hình 3.2 Biểu đồ đánh giá thuật toán PDDA cải tiến tối ưu theo nhóm người dùng so sánh theo thời gian đáp ứng yêu cầu KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu giải pháp phòng chống bế tắc cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo đạt kết chủ yếu sau: Cải tiến mô hình tính toán tối ưu liên quan tới cung cấp tài nguyên Đó mô hình tối ưu dựa chế lặp vòng (RTT), mô hình xếp theo nhóm người dùng mô hình tối ưu tài nguyên từ giải pháp thu hồi tài nguyên cung cấp cho tiến trình Xây dựng thuật toán cung cấp tài nguyên hiệu quả, dựa cải tiến thuật toán phát bế tắc Đưa thuật toán cải tiến cung cấp tài nguyên lớp hạ tầng IaaS tảng phân tán không Dựa cải tiến thuật toán song song phát bế tắc (PDDA) Đưa thuật toán cải tiến cung cấp tài nguyên lớp hạ tầng IaaS tảng phân tán không Dựa cải tiến thuật toán tìm kiếm hai Footer Page 33 of 145 Header Page 34 of 145 24 chiều (Two Way) Đưa đánh giá so sánh thuật toán (PDDA), thuật toán cải tiến (PDDA) thuật toán cải tiến (Two Way) cung cấp tài nguyên lớp hạ tầng IaaS tảng phân tán không Trên sở kết đạt được, luận án đề xuất số hướng mở sau: Nghiên cứu mở rộng thuật toán Kshemkalyani-Singhal cho toán phân tán tài nguyên không đồng Nghiên cứu mở rộng mô hình cung cấp tài nguyên phân tán cho hệ thống máy chủ ảo Đồng thời, tiếp tục nghiên cứu mở rộng phương pháp mô thực nghiệm Footer Page 34 of 145 ... hình cung cấp tài nguyên cho hệ thống máy chủ ảo tảng phân tán không 2.1 Mô hình cung cấp tài nguyên phân tán 2.1.1 Mô hình cung cấp tài nguyên phân tán MVM-out-of-1PM Dựa mô hình cung cấp tài nguyên. .. lý phân tán - Cij khả tối thiểu tài nguyên j cung cấp cho V Mi Ví dụ: CiCP U tài nguyên CPU tối thiểu cung cấp cho máy ảo V Mi - E tổng nguồn tài nguyên CPU tài nguyên khác có sẵn cung cấp cho. .. cầu cung cấp thành phần tài nguyên (ví dụ: CPU, RAM, HDD) Để cung cấp tối ưu tài nguyên, cung cấp tài nguyên đưa sách, định tài nguyên phân bổ, tài nguyên phân bổ cho máy ảo, nâng cao hiệu ứng