Tiểu luận môn tính toán lưới TÌM HIỂU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ SỰ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN LƯỚI TRONG THỰC TIỄN

Và ngày nay, tính toán lưới là một mô hình tính toán đang được ứng dụng rất phổ biến, đây là một mô hình có khả năng thực hiện tính toán với tốc độ cao bằng cách tận dụng nhiều máy tính

CHƯƠNG TRÌNH ĐẠO TẠO THẠC SĨ CNTT QUA MẠNG

oOo

BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC

TÍNH TOÁN LƯỚI

-TÌM HIỂU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ

SỰ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN LƯỚI TRONG

THỰC TIỄN

PGS TS.: NGUYỄN PHI KHỨ HỌC VIÊN: NGUYỄN HOÀNG HUY

MSHV: CH1101090

< 2012 >

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU 4

A TÍNH TOÁN LƯỚI 5

I Một số khái niệm cơ bản 5

1 Tính toán lưới 5

2 Cấu trúc mô hình tính toán lưới 6

3 Các chức năng chung 6

4 Lưới tính toán có thể phân theo ba giai đoạn phát triển 7

5 Tính toán lưới là một loại hình đặc biệt của tính toán phân tán 7

II Nền tảng của tính toán lưới (Grid computing) 8

1 Grid là gì và hoạt động như thế nào? 8

2 Ích lợi của tính toán lưới 11

III Mốt số thành phần cơ trong mô hình tính toán lưới 15

1 Lớp ứng dụng (Grid Application) 15

2 Lớp cơ sở hạ tầng (Grid Infrastructures) 15

3 Lớp giữa (Grid Middleware) 15

IV Từ tính toán lưới đến tính toán đám mây 16

B MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 18

I Thế giới 18

II Trong nước 18

III Một số lưu ý 19

IV Các tổ chức hỗ trợ và phát triển tính toán lưới 19

1 Diễn đàn điện toán lưới toàn cầu GGF 19

2 Tổ chức Globus Alliance 20

3 Các dịch vụ khác 20

V Các sản phẩm tính toán lưới thương mại 21

21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

GIỚI THIỆU

Với sự phát triên mạnh mẽ của công nghệ thông tin, con người ngày nay càng trở nên thông minh mà sáng tạo Con người càng thông minh thì nghiên cứu ra những hệ thống, kỹ thuật càng thông minh, phục vụ tối đa cho nhu cầu của con người

Sự phát triển và mở rộng không ngừng của máy tính, kéo theo nhu cầu sử dụng của con người cũng không ngừng nâng cao Các vấn đề, các nhu cầu cần máy tính xử

lý cũng ngày càng phức tạp và đòi hỏi tài nguyên lớn hơn Để giải quyết nhưng vấn đề

đó, ta cần một hướng nghiên cứu để tối ưu cách xử lý cũng như tối ưu các tài nguyên nhỏ lẻ thành những hệ thống xử lý và tài nguyên khổng lồ

Với thực tế đó, tính toán lưới được ra đời như một bước ngoặc giúp con người khai thác được sức mạnh của máy tính triệt để hơn Và ngày nay, tính toán lưới là một

mô hình tính toán đang được ứng dụng rất phổ biến, đây là một mô hình có khả năng thực hiện tính toán với tốc độ cao bằng cách tận dụng nhiều máy tính nối mạng để tạo

ra một kiến trúc máy tính ảo có thể phân phối việc tính toán trên một cơ sở hạ tầng song song Lưới tính toán sử dụng tài nguyên của nhiều máy tính riêng lẻ kết nối với nhau thông qua một mạng máy tính (thường là mạng máy Internet) để giải quyết các yêu cầu tính toán lớn Lưới có khả năng thực hiện việc tính toán trên những tập dữ liệu lớn, bằng cách chia nhỏ các tập dữ liệu này thành các tập hợp nhỏ hơn hoặc thực hiện nhiều qui trình tính toán cùng lúc như trên một mánh tính đơn thông qua mô hình phân phối công việc giữa các tiến trình song song Ngày nay, việc phân phối tài nguyên trên lưới tuân theo chuẩn SLA (Service Level Agreement)

Bài viết này được tham khảo và tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu có sẵn để nhằm hoàn thành bài thu hoạch cho môn học Tính toán lưới cũng như giúp người đọc có cái nhìn tổng quát về Tính toán lưới và một số ứng dụng thực tế của tính toán lưới hiện nay

- Trong những năm gần đây, tính toán lưới nổi lên như một nền tảng hỗ trợ tính toán phân tán trên những bộ dữ liệu lớn, thực hiện những công việc tính toán phức tạp Tư tưởng của Grid là kết hợp sức mạnh tính toán của hàng trăm, hàng nghìn máy tính bình thường nằm phân tán về mạnh địa lý, tạo thành một cơ sở hạ tầng tính toán tổng hợp tương đương hoặc thậm chí vượt

xa sức mạnh của những siêu máy tính hiện đại đắt tiền

- Michael Di Stefano đưa ra định nghĩa về tính toán lưới như sau:

“Tính toán lưới là bất kỳ cụm tài nguyên tính toán nào cung cấp môi trường hỗ trợ chia sẻ và quản lý tài nguyên cho các công việc phân tán dựa trên chính sách nào đó”

- Còn Ian Foster đưa ra ba đặc điểm của một lưới thực sự:

• Phối hợp sử dụng tài nguyên mà không dựa trên điều khiển tập trung

• Sử dụng các giao thức chuẩn và có tính mở rộng

• Cung cấp chất lượng dịch vụ không tầm thường, theo nghĩa tài nguyên hoạt động kết hợp trên môi trường lưới tạo ra chất lượng dịch vụ tốt hơn nhiều so với tổng chất lượng dịch vụ của các tài nguyên đơn lẻ

- Hiện nay, nhiều người vẫn lẫn lộn khái niệm “tính toán lưới” với “tính toán ngang hàng” Cả hai có điểm chung là cùng giải quyết bài toán chia sẻ tài nguyên phân tán giữa các tổ chức ảo, cùng được xây dựng dựa trên kiến trúc phân tầng, và mỗi hướng tiếp cận có điểm mạnh, điểm yếu riêng Lưới được xây dựng trên nền tảng kiến trúc chặt chẽ, phục vụ cộng đồng người dùng quy

mô nhỏ, thường nằm trong cùng lĩnh vực nghiên cứu mà họ quan tâm, hỗ trợ khả năng tích hợp tài nguyên mạnh mẽ đa dạng hơn tính toán ngang hàng Ứng dụng trên lưới thường là ứng dụng khoa học, đòi hỏi khả năng tính toán cao, và hướng người dùng Ngược lại, tính toán ngang hàng được xây dựng trên nền kiến trúc linh hoạt hơn, phục vụ cho một số lượng lớn người dùng, có

thể lên đến hàng triệu, chủ yếu hỗ trợ ứng dụng chia sẻ tài nguyên như chia sẻ chu kỳ tính toán hoặc tệp.

2 Cấu trúc mô hình tính toán lưới

3 Các chức năng chung

- Tính toán lưới tạo ra một mô hình để giải quyết các bài toán tính toán lớn bằng cách sử dụng những tài nguyên rỗi (CPU, và thiết bị lưu trữ) của một loạt các máy tính riêng rẽ, thường là máy để bàn, hệ thống này được coi là một một cụm máy ảo nhúng trong một môi trường liên lạc phân tán Tính toán lưới tập trung vào khả năng hỗ trợ tính toán giữa các khu vực hành chính, điều này làm cho mô hình này tách biệt so với mô hình cụm tính toán và tính toán phân tán truyền thống

- Lưới cung cấp một giải pháp cho những bài toán về tính toán hiệu năng cao như tạo nếp protein, mô hình hoá tài chính, mô phỏng động đất và dự đoán khí hậu thời tiết Ngoài ra lưới còn có thể giúp các tổ chức, doanh nghiệp sử dụng một cách tối ưu hoá tài nguyên công nghệ thông tin và tạo ra các dịch vụ tính toán theo nhu cầu cho các khách hàng thương mại và miễn phí trong đó khách hàng chỉ phải trả những gì họ đã sử dụng giống như điện và nước

- Tính toán lưới được thiết kế với mục tiêu giải các bài toán tính toán quá lớn cho một siêu máy tính, trong khi vẫn giữ được sự linh hoạt đối với những bài toán nhỏ hơn Vì vậy tính toán lưới cung cấp một môi trường đa người dùng Mục tiêu thứ hai của tính toán lưới là khả năng khai thác tốt hơn những năng lực tính toán chưa được sử dụng và phục vụ cho những nhu cầu tính toán không ngừng của các bài toán khoa học lớn

- Điều này dẫn đến việc sử dụng các cơ chế cấp phép an toàn để cho phép những người sử dụng ở xa có thể điều khiển các tài nguyên tính toán từ xa.

- Tính toán lưới thực hiện sử dụng các chuẩn mở để chia sẻ qua mạng những tài nguyên hỗn tạp (trên những nền tảng kiến trúc phần mềm, phần cứng và ngôn ngữ lập trình khác nhau), nằm tại những địa điểm khác nhau tuỳ thuộc vào các khu vực hành chính Nói một cách đơn giản, nó là việc ảo hoá các tài nguyên tính toán

4 Lưới tính toán có thể phân theo ba giai đoạn phát triển

- Lưới văn phòng

- Lưới công ty

- Lưới toàn cầu

Những giai đoạn này tương ứng với một công ty bắt đầu tận dụng tài nguyên trong một nhóm đơn như một đơn vị hoặc phòng chuyên về công nghệ kết nối các máy tính để bàn, các cụm và thiết bị Lưới sẽ phát triển để trở thành lưới của toàn công ty khi các tài nguyên của các phòng ban còn lại có thể sử dụng

để lưu trữ và tận dụng tài nguyên CPU Một lưới toàn cầu là sự kết nối của các lưới phòng ban và hãng, lưới này sẽ được sử dụng theo kiểu thương mại và cộng tác

5 Tính toán lưới là một loại hình đặc biệt của tính toán phân tán

Mô hình khái niệm

Bản chất của tính toán lưới giống một nền tảng dạng khái niệm hơn là một tài nguyên vật lý Lưới được tận dụng để cung cấp tài nguyên cho một nhiệm vụ tính toán Mục tiêu của công nghệ lưới liên quan tới những yêu cầu của việc cung cấp tài nguyên linh hoạt vượt ra khỏi các khu vực cục bộ

Tổ chức Ảo

Một môi trường lưới được tạo ra để giải quyết các nhu cầu về tài nguyên Những tài nguyên này(như CPU, ổ lưu trữ, dữ liệu, các chương trình phần mềm, các thiết bị ngoại vi) thường nằm ở ngoài các khu vực cục bộ Phương thức cung cấp ngoài này đòi hỏi phải tạo ra một khu vực khác được nhắc đến với cái tên là Tổ chức ảo(Virtual Organization – VO) với một tập riêng rẽ các chính sách quản lý ( các chính sách quản lý cục bộ và các chính sách quản lý tài nguyên bên ngoài tạo thành các chính sách của VO Ngữ cảnh được tạo ra cho một nhiệm vụ tính toán lưới được phân biệt bằng những yêu cầu được tạo

ra khi thực thi ngoài các khu vực cục bộ Công nghệ Lưới được tận dụng để

làm cho việc chuẩn hoá và thống nhất với ngữ cảnh lưới liên quan tới việc thực thi ứng dụng của bạn.

Tận dụng tài nguyên

Một đặc điểm mà hiện tại phân biệt tính toán lưới và tính toán phân tán là sự trừu tượng hoá của một tài nguyên phân tán thành một tài nguyên lưới Một kết quả của sự trừu tượng này là nó cho phép việc thay thế tài nguyên trở nên

dễ dàng hoàn thành Vài chi phí liên quan tới sự linh hoạt này nằm ở tầng phần mềm trung gian và thời gian trễ liên quan tới việc truy nhập vào một tài nguyên lưới hoặc tài nguyên phân tán Những chi phí, đặc biệt là thời gian trễ, phải được đánh giá khi đánh giá sự ảnh hưởng của tới hiệu năng tính toán của một tài nguyên lưới

Các tài nguyên web hoặc việc truy nhập các tài nguyên web là một phương pháp hấp dẫn để cung cấp tài nguyên lưới Một sự phát triển gần đây của phần mềm trung gian lưới GGF đã sửa lại kiến trúc và thiết kế của khái niệm tài nguyên lưới bằng cách sử dụng ngôn ngữ mô tả dịch vụ web WSDL của W3C

để triển khai một tài nguyên lưới Các ứng dụng chuyển đổi từ việc sử dụng các tài nguyên liên quan tới vị trí địa lý sang việc sử dụng các tài nguyên web cần quan tâm tới bản chất phi ranh giới của web trong khi vẫn đảm bảo khả năng mở rộng cho web

II Nền tảng của tính toán lưới (Grid computing)

Tính toán mạng lưới (grid) ngày nay không còn là một giải pháp hàn lâm hay thử nghiệm Với những tiến bộ quan trọng về phần mềm triển khai, người ta hy vọng

nó sẽ đem sức mạnh của siêu máy tính tới tất cả người dùng PC đơn lẻ trên thế giới

1 Grid là gì và hoạt động như thế nào?

- Grid là một loại hệ thống phân tán, bố trí song song, cho phép linh hoạt chia

sẻ, tuyển lựa và tập hợp các nguồn tài nguyên độc lập và rải rác về địa lý, tùy theo khả năng sẵn có, công suất, hoạt động, chi phí và yêu cầu về chất lượng dịch vụ của người sử dụng

Mô hình tính toán lưới

- Điện toán mạng lưới (ĐTML) có nghĩa là tất cả hoặc một phần của một nhóm máy tính, máy chủ và thiết bị lưu trữ trong mạng doanh nghiệp, được

“ảo hóa” (virtualize) thành một cỗ máy tính lớn Vì ĐTML giải phóng những khả năng tính toán không được sử dụng vào một thời điểm bất kỳ, chúng có thể cho phép các doanh nghiệp tăng cường rất nhiều về tốc độ, sức mạnh xử lý thông tin và sự liên kết, thúc đẩy các quy trình tính toán mật độ cao Trong khi

đó, chi phí vẫn sẽ được giữ ở mức thấp vì ĐTML có thể được xây dựng từ chính hạ tầng hiện có, góp phần đảm bảo sự huy động tối ưu các khả năng tính toán

- ĐTML cho phép ảo hóa các chức năng tính toán phân tán cũng như các nguồn xử lý, băng thông mạng và khả năng lưu trữ, để từ đó tạo ra một hệ thống đơn đồng nhất, cho phép người sử dụng và các ứng dụng truy cập thông suốt vào các tính năng điện toán rộng lớn Giống như người lướt web xem một nội dung thống nhất qua web, người sử dụng ĐTML cũng nhìn thấy một máy tính ảo cực lớn duy nhất

Mô hình tính toán lưới dựa trên Internet

- Trọng tâm của ĐTML dựa trên một tập hợp mở của nhiều chuẩn và giao thức, ví dụ Kiến trúc dịch vụ lưới mở (OGSA), cho phép liên lạc qua nhiều môi trường hỗn tạp và phân tán về địa lý Với ĐTML, các tổ chức và doanh nghiệp có thể tối ưu hóa khả năng tính toán và các nguồn dữ liệu, tập trung chúng lại thành những khối sức mạnh lớn, chia sẻ chúng qua mạng và thúc đẩy

sự phối hợp, tương tác

- Giả dụ, khi một người có chiếc máy tính cá nhân tham gia đóng góp sức mạnh xử lý trong một mạng lưới gridmuốn chạy một ứng dụng đòi hỏi thêm sức mạnh xử lý thì công việc đang được giải quyết trên chiếc máy đó sẽ được

tự động tái phân bổ tới một máy khác trong lưới đang “rảnh rỗi” và không bị trưng dụng sức mạnh tính toàn vào công việc nào

- Xây dựng một lưới grid có thể đơn giản như việc cho phép một số lượng nhỏ

PC hoặc server hoặc mạng lưu trữ tận dụng những khả năng chưa được khai thác hết Từ một quy mô triển khai ban đầu nhỏ, người sử dụng có thể dần dần hoặc lập tức mở rộng lưới tùy theo nhu cầu của doanh nghiệp Lưới này không chỉ có thể liên kết các quy trình hoạt động của một bộ phận mà có thể phối hợp các phòng ban với nhau hoặc thậm chí liên kết sức mạnh hạ tầng của một

số doanh nghiệp độc lập

2 Ích lợi của tính toán lưới

- ĐTML có thể đem lại những ích lợi rất rộng lớn Nó tăng tốc độ xử lý để rút ngắn thời gian thu được kết quả, từ đó cho phép tiết kiệm thời gian và tài nguyên phục vụ cho việc giải quyết những vấn đề mà trước đó chưa được xử

lý ĐTML nâng cao năng suất và sự phối hợp trong doanh nghiệp bằng cách cho phép các bộ phận và phòng ban phân tán ở nhiều nơi tạo ra các “tổ chức ảo” để chia sẻ dữ liệu và tài nguyên Grid khiến cho hạ tầng hoạt động của doanh nghiệp linh hoạt hơn với việc cho phép truy nhập lập tức vào hệ thống tính toán và các kho dữ liệu để “cảm nhận” và phản hồi kịp thời những yêu cầu Grid cũng góp phần đảm bảo khai thác tốt nhất các khả năng tính toán hiện có của một công ty dựa trên những khoản đã đầu tư Triển khai ĐTML cũng góp phần tránh được nguy cơ phân bổ tài nguyên không cân đối xảy ra rất phổ biến và tránh được các chi phí phát sinh Một ích lợi lớn khác của ĐTML là nó giải phóng các bộ phận quản lý CNTT khỏi gánh nặng của việc quản lý các hệ thống không đồng nhất

So sánh grid với các công nghệ khác:

- So với khái niệm cluster và điện toán phân tán khác, grid có điểm chung là đem các nguồn sức mạnh tính toán lại làm một nhưng khác ở chỗ nó không cần có sự giới hạn về không gian địa lý hay sự đồng nhất về nền điều hành Khác biệt cơ bản giữa khái niệm cluster (bó) với grid (lưới) chủ yếu nằm ở phương thức quản lý các nguồn tài nguyên Đối với cluster, việc phân bổ tài nguyên được thực hiện bởi một đối tượng quản lý tài nguyên trung tâm và tất

cả các nút (node) mạng hoạt động phối hợp với nhau như một nguồn đơn thống nhất Đối với grid, mỗi nút có đối tượng quản lý tài nguyên riêng và các nguồn tài nguyên độc lập trong lưới có thể trải rộng khắp một hoặc nhiều tổ chức

- Trên thực tế grid không phải là một cuộc cách mạng mới mà có thể coi nó là một bước tiến hóa trong công nghệ điện toán phân tán, giống như web, chia sẻ file ngang hàng và các công nghệ ảo khác Giống như web, ĐTML giảm bớt tính phức tạp khi mà nhiều người cùng khai thác một nền hoạt động thống nhất Cái khác của nó đối với web chủ yếu là sự hỗ trợ liên lạc So với mạng ngang hàng (P2P), ĐTML có điểm chung là cho phép người sử dụng chia sẻ file nhưng khác ở chỗ việc chia sẻ đó không chỉ là các file mà có thể là nhiều tài nguyên khác So với các công nghệ ảo khác, grid giống ở chỗ cho phép ảo hóa các nguồn lực CNTT Điểm khác là trong khi đối tượng và mục tiêu của các công nghệ ảo là một hệ thống đơn thì grid cho phép ảo hóa những nguồn tài nguyên tản mát và vô cùng rộng lớn

Grid đã được thương mại hóa như thế nào?

- Các nhà cung cấp giải pháp điện toán hàng đầu thế giới như Oracle, IBM,

HP, Dell, Microsoft và Sun đều đã và đang có sách lược đầu tư lớn vào việc phát triển các sản phẩm và dịch vụ ĐTML

- Thiết lập một hệ thống ĐTML không đơn thuần chỉ là có một mạng máy tính tốc độ cao Yếu tố quan trọng nhất chính là một nền phần mềm điều phối sức mạnh của các máy tính tham gia đóng góp sức mạnh nhiều dạng khác nhau trong lưới

- Trên thị trường đã xuất hiện những nền phần mềm thương mại hoặc dịch vụ phục vụ cho việc này Ví dụ, Oracle đã tung ra thị trường Application Server 10g, được coi là phần mềm trung gian đầu tiên giúp đơn giản hóa việc quản lý các ứng dụng chạy trên môi trường ĐTML Đây là một bộ sản phẩm gồm