Luận văn Nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải trong điện toán đám mây

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải trong điện toán đám mây

1. 1-i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ HỒNG BÀNG --------------------------------------- VÕ VĂN KHANG Tên đề tài luận văn: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CÂN BẰNG TẢI TRONG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số chuyên ngành : 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN HỒNG SƠN TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2014
2. 1-ii CHUẨN Y CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN Luận văn tựa đề: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Cân Bằng Tải Trong Điện Toán Đám Mây được Võ Văn Khang thực hiện và nộp nhằm thoả một trong các yêu cầu tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Khoa Học Máy Tính. Chủ tịch Hội đồng Giảng viên hướng dẫn GS.TSKH HOÀNG VĂN KIẾM TS. NGUYỄN HỒNG SƠN Cố Vấn Hiệu Trưởng Trường Đại Học Trưởng Khoa Công Nghệ Thông Tin Quốc Tế Hồng Bàng Học Viện Bưu Chính Viễn Thông Cơ Sở TP.HCM Ngày 22 tháng 09 năm 2014 Ngày 22 tháng 09 năm 2014 Ngày bảo vệ luận văn, Tp.HCM, Ngày 24 tháng 08 năm 2014 Viện Đào Tạo Sau Đại Học ..
3. i LÝ LỊCH CÁ NHÂN Tôi tên là: Võ Văn Khang Sinh ngày: 1982 Nơi Sinh: Long An Tốt nghiệp THPT tại Trường THPT Vĩnh Hưng – Long An, năm 2000. Quá trình công tác: . Từ năm 2004 đến 2006 làm việc tại Trường dạy nghề ITEE – Tp.HCM. . Từ năm 2006 đến nay làm việc tại Trường Trung Cấp Âu Việt – Tp.HCM. Địa chỉ liên lạc : 331/38/37F Phan Huy Ích, P14, Q.Gò Vấp, Tp.HCM Điện thoại : 0907.306.863 – 0963.038.079 Email : [email protected]
4. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng luận văn này : “Nghiên Cứu Kỹ Thuật Cân Bằng Tải Trong Điện Toán Đám Mây“ là bài nghiên cứu của chính tôi. Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố hay được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác. Không có sản phẩm nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định. Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác. Tp.HCM, ngày 08 tháng 07 năm 2014 Tác giả luận văn Võ Văn Khang
5. iii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ, ngoài những cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của quý thầy cô, cùng với sự động viên, khích lệ và ủng hộ của các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Nguyễn Hồng Sơn, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời tri ân đến thầy, đối với những điều mà thầy đã dành cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin chân thành biết ơn toàn thể quýt hầy cô Khoa công nghệ thông tin, Viện đào tạo sau đại học, Trường đại học quốc tế Hồng Bàng đã tận tình truyền đạt những bài học cũng như những kiến thức quý báu trong quá trình học tập và thực hiện đề tài này. Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trường Trung Cấp Âu Việt, đặc biệt là anh em trong khoa CNTT và tất cả các đồng nghiệp đã hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi học tập và nghiên cứu đề tài một cách tốt nhất. Tôi xin chân thành cảm ơn mọi người trong gia đình tôi, đã tạo điều kiện, động viên khích lệ tôi trong những lúc khó khăn để tôi học tập và thực hiện đề tài. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô cùng bạn bè đồng nghiệp để kiến thức của mình ngày một hoàn thiện hơn. Tp.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2014 Người thực hiện luận văn Võ Văn Khang
6. iv TÓM TẮT Điện toán đám mây là xu hướng hội tụ của nhiều thành tựu về nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ mới; các quan điểm về ứng dụng công nghệ thông tin hiện nay trên thế giới. Tầm quan trọng của nó đã được nhấn mạnh trong một báo cáo gần đây từ trường đại học Berkeley: “Điện toán đám mây, giấc mơ lâu nay của máy tính như là một tiện ích có khả năng chuyển đổi một phần lớn ngành công nghiệp công nghệ thông tin, làm mềm thậm chí còn hấp dẫn hơn như một dịch vụ” [16]. Một kỹ thuật góp phần quan trọng giúp điện toán đám mây được triển khai thành công đó là cân bằng tải. Nó giải quyết được các vấn đề về chiến lược phân bổ, sự tận dụng tài nguyên tính toán một cách có hiệu quả. Khi nói đến cân bằng tải người ta thường nghĩ đến làm thế nào phân phối khối lượng công việc giữa các nút tính toán sau cho công bằng, ít gây ra sự lãng phí và tận dụng tài nguyên hiệu quả nhất. Trong mô hình điện toán đám mây, thành phần Broker chịu trách nhiệm trung gian đàm phán giữa nhà cung cấp SaaS và nhà cung cấp dịch vụ đám mây. Nó đại diện cho nhà cung cấp SaaS tìm kiếm nhà cung cấp dịch vụ đám mây phù hợp và đảm nhiệm đàm phán trực tuyến để cấp phát nguồn tài nguyên hay dịch vụ có thể đáp ứng yêu cầu QoS của ứng dụng. Với vai trò điều phối, Broker thực hiện các chiến lược cân bằng tải để phân phối yêu cầu xử lý của người dùng đến nguồn tài nguyên tính toán sau cho có hiệu quả nhất. Nhằm nghiên cứu các kỹ thuật cân bằng tải đang được áp dụng hiện nay trong điện toán đám mây, luận văn sẽ thực hiện các thuật toán cân bằng tải tại thành phần Broker. Muốn làm được điều này cần một môi trường có thể mô hình và mô phỏng đầy đủ các thành phần của điện toán đám mây như là Datacenter, máy ảo, Broker và các chính sách cung cấp nguồn tài nguyên. Để vượt qua thách thức đó tác giả nghiên cứu môi trường mô hình và mô phỏng điện toán đám mây CloudSim để thực nghiệm. Dựa trên kết quả đạt được tác giả sẽ phân tích, đánh giá hiệu quả của các thuật toán cân bằng tải hiện nay; đồng thời phát hiện hạn chế từ đó có những đề xuất thuật toán cân bằng tải cải tiến.
7. v ABSTRACT Cloud computing is the convergence of several trends achievements in research, development and application of new technologies; views on the application of information technology in the world today. Its importance was highlighted in a recent report from the University of Berkeley: "Cloud computing, long-held dream of the computer as a utility capable of converting a large part industry information technology, soften even more attractive as a service "[16]. An important contribution to the technical help of cloud computing is that success is implementing load balancing. It solves the problem of allocation strategies, the advantage of the computing resources efficiently. When thinking about load balancing people often think how to distribute the workload among the compute nodes after the fair, cause less waste and make the most efficient use of resources. In the cloud model, Broker component responsible mediated negotiations between SaaS vendors and cloud service providers. It represents SaaS providers looking for cloud service providers and undertake appropriate online negotiation to allocate resources or services can meet the QoS requirements of the application. With a coordinating role, Broker perform load balancing strategy for distributed processing requirements of users to calculate the following resources for the most effective. In order to study the load-balancing techniques are being applied today in cloud computing, this Thesis will perform load balancing algorithms in Broker components. To achieve this requires an environment that can model and simulate the full range of components of cloud computing as Datacenter, VM, Broker and provide policy resources. To overcome that challenge study author and environmental simulation model cloud CloudSim to experiment. Based on the results the author will analyze and evaluate the effectiveness of the load balancing algorithm present; simultaneous detection thereby limiting the proposed load balancing algorithm improvements.
8. vi MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LÝ LỊCH CÁ NHÂN ....................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iii TÓM TẮT ...................................................................................................................... iv ABSTRACT .................................................................................................................... v MỤC LỤC ..................................................................................................................... vi DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................................. ix DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................... xi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................. xiii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................... 1 1.1 Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1 1.2 Công trình nghiên cứu gần đây về cân bằng tải điện toán đám mây ................. 3 1.2.1 Cải thiện thời gian đáp ứng: ............................................................................. 3 1.2.2 Vấn đề tiêu thụ năng lượng .............................................................................. 3 1.2.3 Vấn đề di trú máy ảo ......................................................................................... 4 1.3 Mục tiêu luận văn .................................................................................................... 4 1.4 Tổ chức luận văn ..................................................................................................... 4 CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG TẢI TRONG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY ................... 6 2.1 Tổng quan về điện toán đám mây ............................................................................. 6 2.2 Tổng quan về cân bằng tải trong điện toán đám mây ......................................... 7 2.2.1 Giới thiệu kỹ thuật cân bằng tải ....................................................................... 7 2.2.2 Mục đích cân bằng tải ....................................................................................... 8 2.2.3 Cân bằng tải trong điện toán đám mây ............................................................ 9 2.2.4 Đo lường cân bằng tải trong điện toán đám mây .......................................... 10 2.3 Các thuật toán cân bằng tải đang được ứng dụng hiện nay ............................. 11 2.3.1 Cân bằng tải tĩnh ............................................................................................. 13 2.3.2 Cân bằng tải động ........................................................................................... 14
9. vii 2.3.3 Vấn đề trong cân bằng tải động ...................................................................... 15 2.4 So sánh giữa kỹ thuật cân bằng tĩnh và cân bằng tải động[11] ........................ 16 2.4.1 Bản chất ........................................................................................................... 16 2.4.2 Liên quan phí tổn ............................................................................................ 16 2.4.3 Tận dụng tài nguyên ....................................................................................... 17 2.4.4 “Thrashing” hay tiến trình “Dumping” ........................................................ 17 2.4.5 Trạng thái “Woggling” ................................................................................... 17 2.4.6 Khả năng tiên đoán ......................................................................................... 18 2.4.7 Khả năng thích ứng ........................................................................................ 18 2.4.8 Độ tin cậy ......................................................................................................... 18 2.4.9 Thời gian đáp ứng ........................................................................................... 18 2.4.10 Khả năng ổn định .......................................................................................... 18 2.4.11 Liên quan sự phức tạp .................................................................................. 19 2.4.12 Chi phí phát triển........................................................................................... 19 2.5 Kết luận ................................................................................................................... 20 CHƯƠNG 3: CÁC THUẬT TOÁN CÂN BẰNG TẢI TIÊU BIỂU ..................... 21 3.1 Cân bằng tải trong điện toán đám mây ................................................................. 21 3.2 Thuật toán Round-Robin ....................................................................................... 22 3.3 Thuật toán Weighted Round-Robin ....................................................................... 22 3.4 Thuật toán Active Monitoring Load Balancer ...................................................... 23 3.4.1 Mô tả thuật toán [7],[24] .................................................................................. 23 3.4.2 Thuật toán ......................................................................................................... 23 3.4.3 Đánh giá .......................................................................................................... 24 CHƯƠNG 4: DỀ XUẤT THUẬT TOÁN CÂN BẰNG TẢI CẢI TIẾN ............ 25 4.1 Giới thiệu ................................................................................................................. 25 4.2 Mô hình cân bằng tải trong điện toán đám mây ................................................ 29 4.3 Đề xuất thuật toán cải tiến ....................................................................................... 30 4.3.1 Ý tưởng cải tiến ................................................................................................ 30 4.3.2 Phân tích hệ thống .......................................................................................... 30 4.3.3 Cơ sở tính toán cho giải thuật cải tiến .............................................................. 35 4.3.4 Thiết kế thuật toán ........................................................................................... 38
10. viii 4.3.5 Mô phỏng và đánh giá thuật toán cải tiến ........................................................ 40 4.4 Kết luận: ................................................................................................................. 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................... 69 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 70 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 73 GIỚI THIỆU VỀ THƯ VIỆN MÔ PHỎNG CLOUDSIM ..................................... 73 1. Giới thiệu ................................................................................................................. 73 2. Môi trường mô hình mô phỏng CloudSim............................................................ 73 2.1. Những thuận lợi trong việc nghiên cứu CloudSim .......................................... 73 2.2.Mô hình hóa đám mây ....................................................................................... 74 2.3.Thiết kế và thực hiện của CloudSim ................................................................. 75 2.4.Framework lõi CloudSim ................................................................................... 78 2.5.Giao tiếp giữa các thực thể ................................................................................ 80