Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ (tt)

Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.Nghiên cứu tìm thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ.

Môi trường đám mây [1] là mô hình ảo hóa những máy chủ vật lý (tài nguyên phần cứng) thành những máy ảo (VMs) Sự di trú máy ảo [2], [3] trong khi vận hành hệ thống điện toán đám mây cần phải được thực hiện sao cho hiệu suất tốt [4], giá thành hợp lý [5]

và khả năng chịu lỗi cao [6] (fault tolerance) Các máy ảo cần phải di trú một cách linh hoạt trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống để đáp ứng yêu cầu di chuyển của khách hàng,

dữ liệu của hệ thống phải được cân bằng tải, và các server không phải chịu tải cao Nói cách khác, khi một khách hàng di chuyển từ một vùng này đến vùng khác thì phải sử dụng hai slot cho việc di trú máy ảo của khách hàng đó, một slot cho host gốc và một slot cho host đến (slot mục tiêu) trong một khoảng thời gian cần thiết để di trú máy ảo hoàn thành

Do đó, nếu số lượng di trú nhiều thì phải cần nhiều nguồn slot dự phòng trong suốt thời gian di trú Vì vậy, số lượng slot trống giành cho yêu cầu dịch vụ của khách hàng mới sẻ giảm Nếu hệ thống không có đủ slot cho yêu cầu dịch vụ của khách hàng mới thì hệ thống

sẽ từ chối yêu cầu Khả năng từ chối yêu cầu dịch vụ của khách hàng mới được đánh giá bởi xác suất từ chối [7] Xác suất từ chối phụ thuộc số lượng máy ảo đang di trú của khách hàng trong hệ thống và số lượng yêu cầu dịch vụ của khách hàng mới

Một hệ thống có nhiều sự di trú của máy ảo [8] đòi hỏi phải có nhiều slot trống vì

số máy ảo giữ hai slot cho việc chuyển vùng tăng cao Trong trường hợp này, Nếu số lượng slot giành riêng cho việc di trú ít hơn số lượng máy ảo cần di trú thì sẽ làm tăng thời gian chờ của các máy ảo đang di trú Một hệ thống có số lượng slot ít, xác suất từ chối yêu cầu dịch vụ mới của khách hàng cũng như thời gian chờ của việc di trú máy ảo tăng, và chất lượng dịch vụ giảm Một hệ thống kinh doanh cần phải bảo đảm kỹ thuật theo những yêu cầu của khách hàng, xác suất từ chối phải được duy trì dưới ngưỡng đặt ra để bảo đảm chất lượng dịch vụ

Bài toán được đặt ra ở đây là phải xác định số slot mục tiêu (số lượng slot tối đa giành cho các tiến trình di trú máy ảo) để duy trì xác suất từ chối yêu cầu khách hàng mới

và thời gian chờ của di trú máy ảo dưới ngưỡng được xác định trước Nếu xác suất từ chối yêu cầu của khách hàng mới cao thì khả năng từ chối yêu cầu của khách hàng càng cao dẫn

thuật toán tốt nhất trong việc tìm kiếm slot mục tiêu ứng với xác suất từ chối và thời gian chờ” nhằm tìm phương pháp làm giảm thời gian chờ và xác suất từ chối của hệ thống đối với sự di chuyển của khách hàng sao cho hệ thống có thể sử dụng ít tài nguyên hơn trong khi vẫn đảm bảo chất lượng của dịch vụ

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY

1.1 Giới thiệu

Điện toán đám mây là một giải pháp toàn diện cung cấp công nghệ thông tin như một dịch vụ và là một giải pháp điện toán dựa trên Internet ở đó cung cấp tài nguyên chia sẻ giống như dòng điện được phân phối trên lưới điện Các máy tính trong các đám mây được cấu hình để làm việc cùng nhau và các ứng dụng khác nhau sử dụng sức mạnh điện toán tập hợp cứ như thể là chúng đang chạy trên một hệ thống duy nhất Nói cách khác, ở mô hình tính toán này, mọi khả năng liên quan đến công nghệ thông tin đều được cung cấp dưới dạng các dịch vụ, cho phép người sử dụng truy cập các dịch vụ công nghệ thông tin từ một nhà cung cấp nào đó trong đám mây mà không cần phải biết về công nghệ đó, cũng như không cần quan tâm đến các cơ sở hạ tầng phục vụ công nghệ đó

1.2 Các thành phần của điện toán đám mây

Mô hình điện toán đám mây được xây dựng bởi vài đối tượng: các máy khách, các máy chủ phân tán và trung tâm dữ liệu … Mô hình điện toán đám mây được tạo bởi ba thành phần chính (các máy client, trung tâm dữ liệu và máy chủ phân tán) Mỗi phần có mục đích và đóng vai trò riêng trong việc cung cấp những chức năng ứng dụng cơ bản của đám mây

1.2.1 Các máy khách (clients)

Client là một chương trình (hay máy tính) yêu cầu thông tin từ máy khác trong mạng lưới Ví dụ, khi một trình duyệt web như Internet Explore yêu cầu web server mở ra một trang web Client thông thường là những máy tính để bàn Nó cũng có thể là máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại Nói chung clients được xếp vào ba loại (Mobile, Thin, Thick)

độ ổn định cao Data center có thể là một phòng lớn phụ thuộc vào hệ thống của doanh nghiệp

1.2.3 Các máy chủ phân tán (distributed servers)

Distributed server là tất cả các server không đặt cùng một vị trí mà được đặt ở khắp nơi trên thế giới và chúng được liên kết với nhau Các server được thêm và bớt linh động hơn Ví dụ, Amazon có rất nhiều các server trong đám mây của họ trên thế giới Nếu vì lý do nào đó mà một trong những server đó bị lỗi thì dịch vụ đang được truy cập sẽ tự động chuyển qua một server khác

1.3 Các tầng kiến trúc của điện toán đám mây

Điện toán đám mây cung cấp các dịch vụ ở tất cả các tầng, từ phần cứng tới các phần mềm Các dịch vụ có thể chia thành 3 lớp chính: Phần mềm dịch vụ (software as a service), nền dịch vụ (platform as a service), và cơ sở hạ tầng dịch vụ (infrastructure as a service) Các lớp này có thể tập hợp thành các tầng kiến trúc khác nhau, có thể chồng chéo

1.4 Mô hình dịch vụ trong điện toán đám mây

Dịch vụ điện toán đám mây bao gồm tất cả các lớp dịch vụ điện toán như cung cấp năng lực tính toán trên máy chủ hay các máy chủ ảo, không gian lưu trữ dữ liệu, hay một hệ điều hành, một công cụ lập trình, hay một ứng dụng kế toán … Các dịch vụ cũng được phân loại khá da dạng, nhưng các mô hình dịch vụ điện toán đám mây phổ biến nhất có thể được phân thành 3 nhóm: Dịch vụ hạ tầng (IaaS), Dịch vụ nền tảng (PaaS) và Dịch vụ phần mềm (SaaS)

1.4.1 Phần mềm như là dịch vụ (SaaS)

SaaS (Sofware as a Service) được hiểu là phần mềm như một dịch vụ SaaS là một ứng dụng trực tuyến có thể sử dụng thay vì cài đặt trên một server hoặc máy PC Một trong

1.4.2 Nền tảng hướng dịch vụ (PaaS – Platform as a Service)

Một nền tảng điện toán dưới dạng đơn giản nhất, đề cập đến một nơi mà phần mềm

có thể được khởi chạy một cách nhất quán miễn là mã đáp ứng được các tiêu chuẩn của nền tảng đó Các ví dụ phổ biến của các nền tảng gồm có Windows™, Apple Mac OS X, và Linux® cho các hệ điều hành; Google Android, Windows Mobile®, và Apple iOS cho điện toán di động; và Adobe® AIR™ hay Microsoft® NET Framework Điều quan trọng của dịch vụ này không phải là phần mềm mà là về nền tảng mà phần mềm được xây dựng để chạy trên đó

1.4.3 Hạ tầng hướng dịch vụ (Infrastructure as a Service)

Infrastructure as a service (IaaS) bao gồm sự kết hợp của các tài nguyên phần cứng

và phần mềm Phần mềm IaaS là mã mức thấp chạy độc lập với hệ điều hành, được gọi

là trình siêu giám sát, và chịu trách nhiệm kiểm kê tài nguyên phần cứng và phân phối tài nguyên Quá trình này được gọi là phân nhóm tài nguyên (resource pooling) Phân nhóm tài nguyên bằng trình siêu giám sát làm cho có thể ảo hóa, và ảo hóa làm cho tăng khả năng số lượng máy khách Một khái niệm để chỉ một cơ sở hạ tầng được chia sẻ bởi một vài tổ chức

có các mối quan tâm giống nhau về các yêu cầu an toàn và tuân thủ quy định về dữ liệu

1.4.4 Một số dịch vụ khác

Network as a service (NaaS) , Storage as a service (STaaS),

1.5 Mô hình triển khai điện toán đám mây

 Đám mây công cộng (Public cloud )

 Đám mây riêng (Private cloud)

 Đám mây lai (Hybrid cloud )

 Đám mây cộng đồng

CHƯƠNG 2 - GIẢI THUẬT TÌM SỐ LƯỢNG TỐI ĐA SLOT

2.1 Giới thiệu

Luận văn nghiên cứu thuật toán tìm số lượng tối đa của các slot mục tiêu (tổng số lượng slot khách hàng có thể di trú tối đa tại một thời điểm ) trong hệ thống dịch vụ đám mây, đảm bảo xác suất từ chối và thời gian chờ thỏa ngưỡng được cho trước Thuật toán áp dụng cho những doanh nghiệp cung cấp dịch vụ đám mây, dựa trên xác suất từ chối yêu cầu khách hàng mới muốn tham gia dịch

vụ đám mây và thời gian chờ của các máy ảo đang sử dụng dịch vụ đám mây muốn di trú đi nơi khác Từ đó giúp cho doanh nghiệp tổng quan về tình hình tài nguyên trong hệ thống dịch vụ đám mây của doanh nghiệp và điều chỉnh các ngưỡng xác suất từ chối cũng như thời gian chờ phù hợp với từng hệ thống dịch

vụ

2.1.1 Mô tả bài toán

Giả sử trong hệ thống, có một khách hàng yêu cầu một dịch vụ nào đó thì nhà cung cấp phải tạo ra một máy ảo cho họ Trong thời gian giao dịch, máy ảo

có thể di trú đến nơi khác trong hệ thống để đáp ứng với sự thay đổi về vị trí của khách hàng hoặc để cải thiện hiệu suất của hệ thống Bài toán giả sử rằng tổng số các slot vật lý mà các máy chủ trong hệ thống có thể cung cấp là N Số lượng tối

đa của slot có thể được chiếm giữ trong quá trình di trú được ký hiệu là K (K ≤ N) (K là số lượng tối đa của slot mục tiêu có thể di trú cùng một lúc) Số lượng khách hàng mới tham gia dịch vụ của hệ thống trung bình trong một giây và Số lượng máy ảo di trú trung bình trong một giây được thể hiện theo quy trình Poisson[16], tương ứng với λs và λm Thời gian trung bình để xử lý giữa hai dịch

vụ của khách hàng và thời gian trung bình để xử lý giữa hai quá trình di trú của máy ảo theo phân phối mũ tương ứng với 1 / µs và 1 / µm

Hình 2.1: Tổng số lƣợng slot N và số lƣợng slot tối đa sử dụng cho xử lý di trú K

(a) m ≤ K; (b) m > K [18]

Hình 2.1 có hai trường hợp có thể xảy ra trong hệ thống, m ≤ K và m > K, với m

là số lượng máy ảo cần được di trú và K là số lượng các slot mục tiêu bị chiếm giữ trong di trú hiện hành Trong trường hợp m ≤ K (hình 2.1a), m máy ảo sẽ được di trú cùng một lúc Trong trường hợp m > K (hình 2.1b), chỉ có K máy ảo được chuyển và m-K máy ảo phải chờ đợi cho đến khi một trong các máy ảo đang được di trú hoàn tất quá trình di trú Lưu ý rằng nếu chỉ k slot (k ≤ K) được sử dụng cho việc di trú (hình 2.1a) thì (K - k) slot mục tiêu dành cho quá trình di trú

có thể được sử dụng để phục vụ sự tham gia của khách hàng mới Sử dụng quy tắc hàng đợi tức là đến trước được phục vụ trước

Vấn đề cần giải quyết là phải xác định số slot tối đa sử dụng cho xử lý di trú để duy trì xác suất từ chối và thời gian chờ dưới ngưỡng được xác định trước

Nếu xác suất từ chối cao thì khả năng từ chối khách hàng mới càng cao dẫn đến lợi nhuận thấp Ngược lại nếu xác xuất từ chối thấp thì thời gian chờ sẽ tăng (thời gian chờ là thời gian khách hàng chờ đến khi nào có slot trống trong hệ thống)

2.1.2 Đầu vào

N : Tổng số slot vật lý của server trong hệ thống doanh nghiệp giành cho

khách hàng mới muốn tham gia dịch vụ và khách hàng di trú trong hệ thống

λs : Số lượng khách hàng tham gia dịch vụ của hệ thống trung bình trong một

giây theo phân phối Poisson [16]

λm : Số lượng máy ảo di trú trung bình trong một giây, trong hệ thống theo

phân phối Poisson

1/µs : Thời gian trung bình để xử lý giữa hai dịch vụ của khách hàng theo phân

phối mũ (exponential distribution) [17]

1/µm : Thời gian trung bình để xử lý giữa hai quá trình di trú của máy ảo theo phân phối mũ

ThR : Ngưỡng xác suất từ chối (xác suất từ chối của khách hàng phải nhỏ hơn

hoặc bằng ngưỡng được cho trước này)

ThW : Ngưỡng thời gian chờ (thời gian chờ của khách hàng phải nhỏ hơn hoặc

bằng ngưỡng được cho trước này)

2.1.3 Đầu ra

Giải thuật trả về slot mục tiêu tối đa (K), K đảm bảo xác suất từ chối của khách hàng mới và thời gian chờ của khách hàng di trú trong đám mây không vượt quá ngưỡng đã được cho trước Nếu không tìm được K thỏa xác suất từ chối và thời gian chờ thì giá trị trả về là 0, ngược lại là giá trị K.

j D j N j N N

K i

D K i K

2.2.1 Sơ đồ chuyển dịch trạng thái

Hình 2.3: Sơ đồ chuyển dịch trạng thái [18]

Hình 2.4: Sơ đồ cân bằng tải hệ thống [18]

Sơ đồ chuyển trạng thái được sử dụng để tính toán xác suất bị từ chối và thời gian chờ được đưa ra trong hình 2.4 Trong sơ đồ chuyển trạng thái này, mỗi trạng thái trong hệ thống được thể hiện ở hai tham số (i, j), i là tổng số slot bị chiếm giữ trong hệ thống (i ≤ N), và j là số slot bị chiếm của các tiến trình di trú hiện tại (j ≤ K) Ví dụ, trạng thái (3, 1) là tổng số slot chiếm giữ là 3, trong đó có 1 slot bị chiếm cho việc di trú Điều đó có nghĩa, có hai khách hàng trong hệ thống, và một trong số hai người đó đang di trú Bởi vì i là tổng của các slot đang được sử dụng bởi khách hàng mới và các slot mục tiêu sử dụng cho di trú, cho nên i ≥ 2j (vì mỗi người đang di trú cần 2 slot)

Hệ thống bắt đầu với trạng thái (0, 0) tức là chưa có khách hàng nào tham gia hệ thống, trạng thái này chỉ có thể đi đến trạng thái (1, 0) tức là có một người tham gia hệ thốngvới một tỷ lệ tham gia của khách hàng mới là λs Nếu một khách hàng mới muốn tham gia hệ thống trong khi thời điểm đó hệ thống không

(i + 1, 0) với cùng tỷ lệ tham gia λs Ngoài ra, nếu hệ thống ở trạng thái (i, 0) và một khách hàng rời hệ thống, các slot cắm dành riêng cho khách hàng đó được giải phóng và hệ thống sẽ chyển sang trạng thái (i-1, 0) Thời gian để xảy ra trạng thái (i-1, 0) là được phân bố theo cấp số nhân với tỷ lệ iμs , và phụ thuộc vào số lượng khách hàng đang sử dụng dịch vụ Trong trường hợp tại trạng thái (i, j) với

j là các slot mục tiêu bị chiếm giữ cho di trú, λs là tỷ lệ mà hệ thống chuyển từ trạng thái (i, j) đến trạng thái (i + 1, j ) và (i - 2j)us là tỷ lệ mà hệ thống chuyển từ trạng thái (i, j) đến trạng thái (i - 1, j) Ngoài ra, iλm là tỷ lệ hệ thống chuyển từ trạng thái (i, j) sang trạng thái (i + 1, j + 1) và jμm là tỷ lệ mà hệ thống chuyển từ trạng thái (i, j) qua trạng thái (i-1, j-1)

1)λmP N-1, j-1

5 (i, j); i # N, 0 < j < i/2,

j < K

((i − 2j)μs + jμm + λ s + (i − 2j)λm)P i, j = (i − 2j + 1)λmP i-1, j-1 +λ s P i-1, j + (i − 2j + 1)μsP i+1,j + (j + 1)μmP i+1, j+1

6

(i, K); 0 < K < i/2 ((i − 2K)μs + Kμm + λ s )P i, K = (i − 2K +

1)λmP i-1, K-1 + λ s P i-1, K + (i − 2K + 1)μsP i+1, K 7

Xác suất Pi, j là xác suất để trạng thái (i, j) xảy ra có thể được xác định bằng cách thiết lập các phương trình cân bằng (tại một trạng thái mà có các tham số đi vào bằng với các tham số đi ra) Nói chung, chúng ta có thể phân chia thành bảy loại

bằng cách sử dụng hệ phương trình cân bằng tương ứng được hiển thị trong bảng

1 Mỗi loại trong bảng 1 được trình bày trong hình 2.4 Hơn nữa, xác suất Pi, jphải thỏa

) 1 ( 1

P

Hình 2.5: Sơ đồ chuyển trạng thái của trường hợp N = 3 và K = 1 [18]

Từ những phương trình cân bằng trong bảng 1 và công thức (1), chúng ta dễ dàng tính được xác suất của mỗi trạng thái trong sơ đồ trạng thái hình 2.5

Giả sử N = 3 và K = 1, sơ đồ trạng thái sẽ là như hình 2.5 Chúng ta dễ dàng suy ra các phương trình cân bằng theo sau dựa vào bảng 1

Chúng ta có thể tính sác xuất của mỗi trạng thái trong hình 2.5:

P0, 0 = 0.0103; P1, 0 = 0.0258; P2, 0 = 0.0323; P3, 0 = 0.0269; P2, 1 = 0.2585; P3, 1 = 0.6461

2.2.2 Xác suất từ chối

Khi có một từ chối xảy ra nếu tại thời điểm đó có một yêu cầu tham gia của khách hàng mới trong khi không có slot nào còn trống trong hệ thống, vì vậy xác suất bị từ chối bằng tổng của các xác suất có trạng thái (N, j), ∀ j ≤ K Xác suất bị từ chối được mô tả theo phương trình sau:

)2()

là k = K) Trường hợp này tương ứng với trạng thái (2K + 1, K), (2K + 2, K), , (N, K) Mặc dù còn nhiều slot trống chưa được sử dụng nhưng hệ thống chỉ cho phép sử dụng slot cho việc di trú tối đa là K slot Do đó, hàng đợi chỉ được phục

vụ nếu có bất kỳ quá trình di trú hiện tại hoàn thành (ii) Trường hợp thứ hai là không còn slot nào còn trống trong hệ thống Trường hợp này tương ứng với các trạng thái (N, 0), (N, 1), ., (N, K-1) Trong trường hợp này, hoặc là có một khách hàng bất kỳ rời hệ thống (giao dịch của khách hàng hoàn tất) hoặc có bất

kỳ quá trình di trú hoàn tất thì hàng đợi sẽ được thực thi TD

j

i, là kí hiệu thời gian

mà hệ thống vẫn ở trạng thái (i, j) Từ đó ta có thời gian chờ dự kiến được tính như sau: