Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải trong điện toán đám mây

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 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 …………………….. 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] 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 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 quý thầy cô Khoa công nghệ thông tin, Viện đào tạo sau đại học, Trường đại học quốc tế Hồng Bàng đ ã 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 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. 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. 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 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 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 ix DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1 Mô hình điện toán đám mây 7 Hình 2.2 Môi trường điện toán đám mây và cân bằng tải 9 Hình 2.3 Phân loại thuật toán cân bằng tải 11 Hình 2.4 Mô hình cân bằng tải ở một nút xử lý 13 Hình 2.5 Chiến lược di trú tải trong cân bằng tải động 14 Hình 2.6 Tương tác giữa các thành phần của thuật toán cân bằng tải động 15 Hình 4.1 Ảnh hưởng các chính sách cung cấp khác nhau đối với sự thực thi đơn vị tác vụ Hình 4.2 Mô hình IaaS điện toán đám mây thông qua thành phần 28 29 DatacenterBroker Hình 4.3 Sơ đồ luồng giao tiếp giữa Datacenter với các đối tượng 31 Hình 4.4 Sơ đồ các thành phần trong DatacenterBroker 34 Hình 4.5 Lược đồ thuật toán cân bằng tải 39 Hình 4.6 Biểu đồ so sánh thời gian đáp ứng trung bình của hai thuật toán theo chính sách lập lịch Spaceshare-Spaceshare Hình 4.7 Biểu đồ so sánh thời gian xử lý dữ liệu trung bình của hai thuật toán theo chính sách lập lịch Spaceshare-Spaceshare Hình 4.8 Biểu đồ so sánh thời gian đáp ứng trung bình của hai thuật toán theo chính sách lập lịch Timeshare-Spaceshare Hình 4.9 Biểu đồ so sánh thời gian xử lý dữ liệu trung bình của hai thuật toán theo chính sách lập lịch Timeshare-Spaceshare 46 46 51 52 x Hình 4.10 Biểu đồ so sánh thời gian đáp ứng trung bình của hai thuật toán theo chính sách lập lịch Spaceshare-Timeshare Hình 4.11 Biểu đồ so sánh thời gian xử lý dữ liệu trung bình của hai thuật 57 57 toán theo chính sách lập lịch Spaceshare-Timeshare Hình 4.12 Biểu đồ so sánh thời gian đáp ứng trung bình của hai thuật toán theo chính sách lập lịch Timeshare -Timeshare Hình 4.13 Biểu đồ so sánh thời gian xử lý dữ liệu trung bình của hai thuật toán theo chính sách lập lịch Timeshare -Timeshare Hình 4.14 Biểu đồ so sánh thời gian đáp ứng trung bình giữa bốn chính sách lập lịch. Hình 4.15 Biểu đồ so sánh thời gian xử lý trung bình giữa bốn chính sách lập lịch. 63 64 66 67 Hình PL1: Sơ đồ thiết kế lớp CloudSim 77 Hình PL2: Sơ đồ lớp Framework lõi CloudSim 79 Hình PL3: Luồng giao tiếp giữa các thực thể Cloudsim 81 xi DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 So sánh giữa cân bằng tải tĩnh và cân bằng tải động 18 Bảng 4.1 Giá trị tham số thiết lập mô phỏng 41 Bảng 4.2 Tham số thiết lập cấu hình các máy ảo 41 Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm trên thuật toán Active Monitoring Load Balancer – 30 theo chính sách lập lịch SpaceShare-SpaceShare 42 Bảng 4.4. Kết quả thực nghiệm của thuật toán cải tiến-30, theo chính sách lập lịch SpaceShare-SpaceShare 44 Bảng 4.5 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm giữa hai thuật toán( Thời gian đáp ứng trung bình và thời gian xử lý trung bình của hai thuật toán) theo chính sách lập lịch Spaceshare-Spaceshare. 45 Bảng 4.6 Kết quả thực nghiệm trên thuật toán Active Monitoring Load Balancer – 30 theo chính sách lập lịch TimeShare-SpaceShare 48 Bảng 4.7. Kết quả thực nghiệm của thuật toán cải tiến-30, theo chính sách lập lịch TimeShare-SpaceShare 49 Bảng 4.8 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm giữa hai thuật toán( Thời gian đáp ứng trung bình và thời gian xử lý trung bình của hai thuật toán) theo chính sách lập lịch Timeshare-Spaceshare. 49 Bảng 4.9 Kết quả thực nghiệm trên thuật toán Active Monitoring Load Balancer – 30 theo chính sách lập lịch SpaceShareTimeShare 50 Bảng 4.10 Kết quả thực nghiệm của thuật toán cải tiến-30, theo chính sách lập lịch SpaceShare-TimeShare 53 Bảng 4.11 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm giữa hai thuật toán( Thời gian đáp ứng xii trung bình và thời gian xử lý trung bình của hai thuật toán) theo chính sách lập lịch Spaceshare-Timeshare. 54 Bảng 4.12 Kết quả thực nghiệm trên thuật toán Active Monitoring Load Balancer – 30 theo chính sách lập lịch TimeShare -TimeShare 59 Bảng 4.13 Kết quả thực nghiệm của thuật toán cải tiến-30, theo chính sách lập lịch TimeShare –TimeShare 60 Bảng 4.14 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm giữa hai thuật toán( Thời gian đáp ứng trung bình và thời gian xử lý trung bình của hai thuật toán) theo chính sách lập lịch Timeshare-Timeshare. 62 Bảng 4.15 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm về thời gian đáp ứng trung bình giữa bốn chính sách lập lịch 66 Bảng 4.16 Bảng so sánh kết quả thực nghiệm về thời gian xử lý trung bình giữa bốn chính sách lập lịch 67 xiii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt CIS Tiếng Anh Cloud Information Service Tiếng Việt Dịch vụ thông tin đám mây Bộ thư viện mô phỏng CloudSim CloudSim QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ IaaS Infrastructure as a Service Cơ sở hạ tầng như là dịch vụ PaaS Platform as a Service Nền tảng như là dịch vụ SaaS Software as a Service Phần mềm như là dịch vụ MIPS Millions Instructions Per Second Triệu chỉ thị trên giây MI Millions Instructions Triệu chỉ thị PE Processing Element Phần tử xử lý VM Virtual Machine Máy ảo CC Cloud Computing Điện toán đám mây FIFO First In First Out Vào trước ra trước IT Green Information Technologies Green Công nghệ thông tin thân thiện với môi trường Lõi xử lý của CPU Core Amazon EC2 Amazon Elastic Compute Cloud Nền tảng điện toán đám mây của Amazon Nền tảng điện toán đám mây của Microsoft Azure Mircrosoft est estimated start time Thời gian bắt đầu dự kiến eft(p) Estimated finish time of a task p Thời gian hoàn thành tác vụ p Sức mạnh xử lý của các phần tử cap(i) xử lý Số lượng phần tử xử lý được yêu cores(p) cầu bởi tác vụ p 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Hiện nay, khi nhu cầu sử dụng nguồn tài nguyên chung, sử dụng các dịch vụ thông qua hệ thống mạng nội bộ hoặc trên internet ngày càng lớn, thì việc làm sao đáp ứng được nhu cầu thực tế đó một cách hiệu quả về thời gian, chất lượng dịch vụ và hiệu quả kinh tế. Để đáp ứng nhu cầu đó thì tháng 6/2007 mô hình “điện toán đám mây”(Cloud Computing) được đưa ra và được công ty Amazon đẩy mạnh nghiên cứu và triển khai. Ngay sau đó, với sự tham gia của các công ty lớn: Microsoft, Google, IBM… thúc đẩy Cloud Computing phát triển mạnh mẽ. “Điện toán đám mây” (ĐTĐM - Cloud Computing) luôn được Gartner xếp trong nhóm đầu tiên các công nghệ chiến lược từ năm 2010 đến nay. “Điện toán đám mây là mô hình điện toán cho phép truy cập qua mạng để lựa chọn và sử dụng tài nguyên tính toán (ví dụ: mạng, máy chủ, lưu trữ, ứng dụng và dịch vụ) theo nhu cầu một cách thuận tiện và nhanh chóng; đồng thời cho phép kết thúc sử dụng dịch vụ, giải phóng tài nguyên dễ dàng, giảm thiểu các giao tiếp với nhà cung cấp”, đồng thời người dùng chỉ phải trả chi phí cho phần tài nguyên thực sự sử dụng (pay-byuse). Để đáp ứng được yêu cầu trên thì việc thiết lập một thuật toán cân bằng tải hiệu quả và làm thế nào sử dụng nguồn tài nguyên điện toán đám mây một cách có hiệu quả nhất là mục đích cuối cùng của điện toán đám mây muốn đạt đến. Nên tác giả chọn đề tài: “nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải trong điện toán đám mây” đi sâu nghiên cứu các kỹ thuật cân bằng tải đang được áp dụng hiện nay, đồng thời đề xuất cải tiến kỹ thuật cân bằng tải và thực hiện cho khung IaaS trong môi trường mô hình và mô phỏng điện toán đám mây CloudSim, chẳng hạn cho trung tâm dữ liệu để cân bằng tải các yêu cầu giữa các máy ảo có sẵn một cách có hiệu quả và đạt được các thông số hiệu năng tốt nhất của hệ thống như thời gian đáp ứng và thời gian xử lý dữ liệu. Cân bằng tải trong điện toán đám mây là một tiến trình gán lại tổng tải tới một nút tính toán riêng biệt trong hệ thống để tận dụng hiệu quả nguồn tài 2 nguyên tính toán và cải thiện thời gian đáp ứng công việc. Đồng thời, loại bỏ tình trạng tải nặng ở một số nút tính toán trong khi những nút tính toán khác trong tình trạng tải nhẹ, bằng cách di chuyển tải từ nút có tải nặng sang nút có tải nhẹ hơn. Mục tiêu của kỹ thuật cân bằng tải hướng đến là cải thiện các tham số hiệu năng hệ thống như là: (1) tối thiểu thời gian đáp ứng, (2) tận dụng tài nguyên tính toán, (3) nâng cao thông lượng, (4) khả năng chịu lỗi tốt, (5) cải thiện khả năng mở rộng hệ thống, (6) tối thiểu thời gian di trú công việc, (7) tối thiểu chi phí có liên quan do di chuyển công việc và (8) giảm tiêu thụ năng lượng cùng với khí thải Carbon Dioxide. Do đó mà không có một kỹ thuật cân bằng tải nào có khả năng đáp ứng tốt được tất cả các tham số hiệu năng đám mây. Ngày nay cân bằng tải trong điện toán đám mây là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu và nhà cung cấp dịch vụ đám mây dựa trên công nghiệp trên thế giới. Việc thiết lập một thuật toán cân bằng tải hiệu quả đáp ứng được hiệu năng hệ thống và làm thế nào sử dụng nguồn tài nguyên điện toán đám mây một cách có hiệu quả nhất là mục đích cuối cùng của điện toán đám mây muốn đạt đến [7]. Ở nước ta hiện nay các công trình nghiên cứu về cân bằng tải trong điện toán đám mây cũng còn hạn chế. Vì vậy, luận văn “nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải trong điện toán đám mây” sẽ đi sâu nghiên cứu các kỹ thuật cân bằng tải đang được áp dụng hiện nay; đồng thời đề xuất cải tiến một kỹ thuật cân bằng tải động và thực hiện cho khung IaaS trong môi trường mô hình và mô phỏng điện toán đám mây CloudSim. Chẳng hạn cho trung tâm dữ liệu để cân bằng tải các yêu cầu giữa các máy ảo có sẵn một cách có hiệu quả và đạt được thông số thời gian đáp ứng tốt nhất có thể. CloudSim là bộ toolkit mô hình và mô phỏng các kịch bản điện toán đám mây. Nó cho phép người dùng đánh giá các chiến lược mới trong việc sử dụng đám mây như là các chính sách, thuật toán lập lịch, chính sách sắp xếp và cân bằng tải,... CloudSim cung cấp các đặc điểm mới sau đây: (1) hỗ trợ mô hình và mô phỏng môi trường điện toán đám mây qui mô lớn, bao gồm trung tâm dữ liệu, trên một nút tính toán đơn nhất; (2) một nền tảng mô hình đám mây, môi giới dịch vụ, chính sách phân bổ và cung cấp; (3) hỗ trợ mô phỏng các kết nối mạng giữa các phần tử mô phỏng hệ thống; (4) mô phỏng môi trường liên kết đám mây, nguồn 3 tài nguyên liên mạng của cả hai đám mây private cloud và đám mây public cloud. Môi trường mô phỏng điện toán đám mây CloudSim, đã được một nhóm thuộc khoa khoa học máy tính và công nghệ phần mềm, trường đại học Melbourne, Australia nghiên cứu và phát triển. Từ đó đến nay trên thế giới đã có nhiều đề tài nghiên cứu khoa học sử dụng CloudSim mô phỏng thực nghiệm, giúp các nhà khoa học nghiên cứu về điện toán đám mây xây dựng, chứng minh các cơ sở lý thuyết. Đồng thời triển khai các kết quả nghiên cứu vào trong môi trường thực tế và đã mang lại nhiều thành công. Ở nước ta hiện nay, nghiên cứu về CloudSim còn là vấn đề mới mẽ trong các đề tài khoa học. Vì vậy, việc nghiên cứu CloudSim sẽ mở ra hướng tiếp cận mới trong nghiên cứu và phát triển điện toán đám mây. 1.2 Công trình nghiên cứu gần đây về cân bằng tải điện toán đám mây 1.2.1 Cải thiện thời gian đáp ứng: Các nhà nghiên cứu hiện nay tập trung cải thiện thời gian đáp ứng để cân bằng tải trong điện toán đám mây. Những công trình nghiên cứu hầu hết thực hiện trong môi trường CloudSim. Trong [18], Warstein nhấn mạnh rằng một mô hình để tìm ra máy ảo phù hợp trong một chu kỳ thời gian rất ngắn khi có bất kỳ yêu cầu nào đến. Ông cho rằng máy ảo có tải ít nhất sẽ được chọn xử lý yêu cầu và Id của máy đó sẽ được gởi tới bộ điều khiển datacenter để phân bổ yêu cầu xử lý. Trong [13], giáo sư Meenakshi đã thực nghiệm trong môi trường CloudSim, phân tích sự khác nhau của các thuật toán cân bằng tải máy ảo, đánh giá hiệu quả các thuật toán dựa trên thời gian đáp ứng. Một thuật toán cân bằng tải mới đã được đề xuất để đạt được thời gian đáp ứng tốt nhất của mỗi nguồn tài nguyên. Theo thực nghiệm này giáo sư Meenakshi và các cộng sự kết luận rằng nếu chọn một máy ảo hiệu quả khi đó nó ảnh hưởng hiệu suất tổng thể đám mây và cũng làm giảm thời gian đáp ứng trung bình. 1.2.2 Vấn đề tiêu thụ năng lượng Trong [12], Nidhi đã đưa hai yếu tố đó là tiêu thụ năng lượng và khí thải carbon để đạt được vấn đề tính toán xanh trong điện toán đám mây. Cân bằng tải trong việc tiết kiệm năng lượng, các số liệu như tiêu thụ năng lượng của tất cả các 4 nguồn tài nguyên cũng đã được xem xét. Cân bằng tải giúp tránh tình trạng quá nóng bằng cách cân bằng khối lượng công việc trên tất cả các nút của đám mây, do đó làm giảm tiêu thụ năng lượng. Lượng khí thải carbon cũng được tính toán trên tất cả các nguồn tài nguyên của hệ thống. Tiêu thụ năng lượng và khí thải carbon đi song hành, càng có nhiều năng lượng được tiêu thụ, lượng khí thải carbon sẽ càng cao. 1.2.3 Vấn đề di trú máy ảo Trong [9], Jinhua trình bày một chiến lược cân bằng tải nguồn tài nguyên máy ảo dựa trên thuật toán di truyền. Dựa trên lịch sử dữ liệu và trạng thái hiện tại của hệ thống, thuật toán di truyền này tính trước các ảnh hưởng mà nó sẽ có trên toàn bộ hệ thống, khi triển khai các nguồn tài nguyên dịch vụ máy ảo cần thiết tại mỗi nút vật lý. Sau đó chọn một giải pháp ít ảnh hưởng nhất, thông qua giải pháp này nó đạt được cân bằng tải tốt nhất và giảm hoặc tránh di trú động. Chiến lược này giải quyết vấn đề mất cân bằng tải, chi phí di trú cao bởi các thuật toán truyền thống sau khi lập lịch. Kết quả thực nghiệm chứng minh phương pháp này có thể hiện thực cân bằng tải và sử dụng nguồn tài nguyên hợp lý cả khi tải hệ thống ổn định và biến đổi. 1.3 Mục tiêu luận văn Luận văn xác định mục tiêu chính là (1) nghiên cứu kỹ thuật cân bằng tải hiện nay trong điện toán đám mây trên cơ sở đó đề xuất cải tiến thuật toán cân bằng tải động Active Monitoring Load Balancer [7],[13] để đạt được thời gian đáp ứng yêu cầu xử lý tốt hơn. Đánh giá hiệu quả của đề xuất cải tiến này trong môi trường mô hình và mô phỏng điện toán đám mây CloudSim; Đồng thời (2) nghiên cứu hướng tiếp cận mới về điện toán đám mây thông qua môi trường CloudSim. 1.4 Tổ chức luận văn Luận văn này được xây dựng với nội dung gồm 5 chương như sau đây: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG TẢI TRONG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY CHƯƠNG 3: CÁC THUẬT TOÁN CÂN BẰNG TẢI TIÊU BIỂU 5 CHƯƠNG 4: DỀ XUẤT THUẬT TOÁN CÂN BẰNG TẢI CẢI TIẾN CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG 2: Trình bày cơ sở lý thuyết tổng quan về cân bằng tải, mục tiêu của cân bằng tải trong điện toán đám mây; đo lường để đánh giá hiệu quả của kỹ thuật cân bằng tải; các thuật toán cân bằng tải và các chiến lược cân bằng tải hiện nay. CHƯƠNG 3: Trình bày mô hình cân bằng tải trong điện toán đám mây, những hạn chế của các kỹ thuật cân bằng tải hiện nay. Tập trung phân tích, đánh giá thuật toán cân bằng tải động Active Monitoring Load Balancer. Trên cơ sở đó phát hiện hạn chế và có đề xuất thuật toán cải tiến để cải thiện thời gian đáp ứng tốt hơn. Mô phỏng thực nghiệm đề xuất cải tiến được thực hiện trên môi trường CloudSim, từ đó đánh giá, kết luận. CHƯƠNG 4: Trình bày ý tưởng, phân tích, thiết kế giải thuật và tiến hành thực hiện mô phỏng thuật toán cân bằng tải cải tiến. Dựa vào kết quả mô phỏng đi đến đánh giá kết quả của thuật toán cân bằng tải cải tiến so với thuật toán cân bằng tải động Active Monitoring Load Balancer về hiệu năng điện toán đám mây như là thời gian đáp ứng, thời gian xử lý dữ liệu. CHƯƠNG 5: Phần kết luận và kiến nghị trình bày kết luận của luận văn và các kiến nghị định hướng nghiên cứu tiếp theo.