Nâng cao chất lượng đáp ứng dịch vụ (QoS) trong cung cấp tài nguyên với giải pháp kỹ thuật ngăn chặn bế tắc

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐÁP ỨNG DỊCH VỤ (QOS)<br /> TRONG CUNG CẤP TÀI NGUYÊN VỚI GIẢI PHÁP<br /> KỸ THUẬT NGĂN CHẶN BẾ TẮC<br /> Nguyễn Hà Huy Cường1<br /> Tóm tắt: Điện toán Đám mây với hệ thống các máy chủ vật lý được bố trí phân<br /> tán trên bình diện toàn cầu và được kết nối với nhau thông qua hệ thống viễn thông có<br /> vai trò ngày càng quan trọng trong việc vận hành, cung cấp khai thác tài nguyên. Để<br /> đảm bảo việc cung cấp tài nguyên này một cách chính xác, kịp thời, tránh tình trạng<br /> chồng chéo, xung đột và thiếu thốn cho các tiến trình từ những yêu cầu của người sử<br /> dụng có nhu cầu tài nguyên, đặc biệt tài nguyên ở xa, nhất thiết, phải nghiên cứu và<br /> đề xuất các giải pháp đủ mạnh, tin cậy làm nền tảng cơ sở cho hệ điều khiển bên trong<br /> các đám mây.<br /> Trong phạm vi của bài báo này, công bố giải pháp kỹ thuật cung cấp tài nguyên<br /> phân tán mang lại hiệu quả chất lượng dịch vụ (QoS). Giải pháp ngăn chặn bế tắc<br /> tránh được các vấn đề thiếu thốn tài nguyên tại hạ tầng vật lý.<br /> Từ khóa: Điện toán đám mây, Hệ phân tán, Ngăn chặn bế tắc.<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Vấn đề cung cấp tài nguyên trong các hệ thống tính toán phân toán quy mô lớn<br /> như tính toán đám mây đã được nghiên cứu vài thập kỷ gần đây. Hệ thống tính toán<br /> đám mây là một sự thay đổi từ mô hình máy tính lớn đến mô hình máy khách chủ ra<br /> đời vào đầu những năm 1980. Ở hệ thống đám mây các chi tiết về cơ sở hạ tầng được<br /> trừu tượng hóa từ phía người sử dụng, họ không cần biết về hạ tầng công nghệ và các<br /> nguồn tài nguyên được truy cập một cách dễ dàng trong các đám mây. Người sử dụng<br /> các ứng dụng của điện toán đám mây được xem là các khách hàng, tài nguyên tính<br /> toán hoặc dữ liệu được đặt trong môi trường đám mây. Hiện nay, theo đánh giá của<br /> hiệp hội Điện toán Đám mây Châu Á (CloudAsia) vấn đề cung cấp tài nguyên, một<br /> dịch vụ quan trọng trong Điện toán Đám Mây đang trở thành nhu cầu chủ yếu trong<br /> các ứng dụng khoa học công nghệ và công nghiệp. Hầu hết các cơ sở hạ tầng điện toán<br /> đám mây bao gồm các dịch vụ cung cấp thông qua các trung tâm dữ liệu và xây dựng<br /> trên các máy chủ ảo. Nguồn tài nguyên điện toán đám mây thường xuất hiện như là<br /> điểm truy cập duy nhất của tất cả các máy chủ điện toán đám mây. Xu hướng tại các<br /> trung tâm đám mây là làm sao xây dựng được các hạ tầng cung cấp dịch vụ phải có<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1<br /> <br /> . TS. Khoa CNTT, trường Đại học Quảng Nam<br /> <br /> nGuyễn hà huy CƯờnG<br /> <br /> tính năng vượt trội linh hoạt ở khả năng mở rộng, khả năng phục hồi an ninh và tắc<br /> nghẽn mạng.<br /> Công nghệ ảo hóa cung cấp sự trừu tượng và cô lập các chức năng cấp thấp hơn,cho<br /> phép khả năng di động cao hơn và tập hợp được các nguồn tài nguyên vật lý [2]. Giải<br /> pháp kỹ thuật cung cấp tài nguyên là một vấn đề đã được xác định trong các hệ thống<br /> hệ điều hành. Trong một môi trường như điện toán đám mây các nguồn tài nguyên<br /> phục vụ cho các nhu cầu của khách hàng ngày một tăng. Hiện tại các khách hàng đang<br /> chia sẻ các nguồn tài nguyên hữu hạn, chẳng hạn các hệ đa server lồng vào nhau, hệ<br /> điều hành và các loại client khác, mỗi phần có cách thức hoạt động cụ thể, xác định<br /> thứ tự mà trong đó các nguồn tài nguyên được giao cho từng nhu cầu dịch vụ ảo hóa<br /> cụ thể.Tuy nhiên, các tiến trình hoạt động phức tạp trong môi trường phân tán hỗn tạp<br /> các khách hàng phải cạnh tranh cho một tập hợp hữu hạn của nguồn tài nguyên. Những<br /> mối quan hệ cạnh tranh có thể gây ra hệ thống bế tắc. Nói chung, bế tắc xảy ra trong<br /> hệ thống đám mây khi bộ phận bị chặn chờ đợi các tài nguyên chia sẻ tuy nhiên hiện<br /> tại tài nguyên này được tổ chức bởi những người khác nắm giữ vì vậy sẽ không bao<br /> giờ được cấp.<br /> Từ những vấn đề này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu, các chuyên gia trong lĩnh<br /> vực khoa học máy tính luôn nghiên cứu tìm tòi các giải pháp kỹ thuật với mong muốn<br /> các giải pháp được công bố đáp ứng tốt hơn khả năng yêu cầu sử dụng dịch vụ công<br /> nghệ thông tin hay nói cách khác đó là đáp ứng tốt được chất lượng dịch vụ (QoS).<br /> Trong nội dung bài báo, trình bày giải pháp kỹ thuật với mô hình máy chủ ảo đáp ứng<br /> nhu cầu cung cấp tài nguyên thông qua các thuật toán ngăn chặn bế tắc trong cung cấp<br /> tài nguyên.<br /> Bài báo, ngoài phần mở đầu, phần tiếp theo là cơ sở lý thuyết, phần thứ ba mô<br /> hình cung cấp tài nguyên, phần thứ tư giải pháp kỹ thuật, phần thứ 5 là kết luận và<br /> hướng nghiên cuối.<br /> 2 . Các vấn đề liên quan<br /> Hệ thống phân tán rộng lớn [6,10] sử dụng công nghệ ảo hóa để cho phép việc<br /> tạo ra các phạm vi năng động với nguồn tài nguyên ảo này có thể tính toán đáp ứng<br /> được nhu cầu của người dùng.Kiến trúc máy ảo được cho là phương tiện thích hợp<br /> trong việc quán lý cung cấp tài nguyên dựa trên khả năng cấp phát tài nguyên cứng,<br /> tài nguyên mềm và tiện ích sử dụng. Trong kiến trúc này, tất cả tài nguyên phần cứng<br /> được gộp lại chung thành lớp hạ tầng dịch vụ (IaaS), vì thế lớp hạ tầng này thường<br /> không thuần nhất về cấu hình như: các lõi CPU, RAM, HDD. Ngoài ra, ở phía người<br /> sử dụng dịch vụ yêu cầu hạ tầng cung cấp tài nguyên cũng có nhiều nhóm khác nhau<br /> phụ thuộc vào từng nhu cầu sử dụng cụ thể, nên các yêu cầu thường cũng không thuần<br /> nhất.Mô hình cung cấp tài nguyên không thuần nhất như Hình 1 bên dưới, trong hình<br /> <br /> 2<br /> <br /> nGuyễn hà huy CƯờnG<br /> <br /> các nút A, nút B yêu cầu tài nguyên là các lõi CPU và RAM không thuần nhất. Khả<br /> năng của bộ cung cấp cho các nút yêu cầu là thuần nhất.<br /> <br /> Hình 1. Mô hình hệ thống cung cấp tài nguyên không thuần nhất<br /> Vì vậy, quản lý tài nguyên trong kiến trúc máy ảo có đặc tính đa ngõ vào và đa<br /> ngõ ra MIMO (Multiple input and Multiple output) và chia thành ba mức điều kiển:<br /> điều khiển bộ vi xử lý CPU, điều khiển bộ nhớ (RAM) và điều khiển thiết bị vào ra<br /> (I/O). Mục đích là điều tiết việc sử dụng các nguồn tài nguyên ảo hóa, sao cho các ứng<br /> dụng đạt được mục tiêu cấp độ dịch vụ SLO và mang tới được chất lượng dịch vụ QoS.<br /> Các giải pháp hiện nay, thông thường sử dụng cơ chế điều đầu vào cho các máy ảo<br /> yêu cầu tài nguyên như: nghiên cứu của Walsh [3] và cộng sự đề xuất hai lớp sử dụng<br /> các chức năng tiện ích, thông qua bối cảnh tự động và tự trị; trong khi đó tác giả Yazir<br /> [4] và cộng sự sử dụng bộ điều khiển thích nghi để điều chỉnh tự động việc sử dụng<br /> tài nguyên ảo nhằm đáp ứng sự hài lòng của khách hàng. Trong [4] Yazir đề xuất thuật<br /> toán cung cấp tài nguyên thích nghi với chính sách dành quyền ưu tiên cho các tiến<br /> trình đăng ký yêu cầu tài nguyên trước. Trong khi đó Qiang [5] và cộng sự đề xuất giải<br /> pháp lược đồ cung cấp tài nguyên đa chiều tự động và giải pháp giảm trách nhiệm cho<br /> các nút tác tử (NA) với mô hình này đã giải quyết được các hạn chế tại các nút hay các<br /> cụm phân tán. Tuy nhiên, trong [5] cũng chỉ ra các mặt hạn chế đó là khả năng phối<br /> hợp hành động với nhau sao cho toàn hệ thống hoạt động hiệu quả, đó là sự phối hợp<br /> không thể cài đặt sẵn. Trong nghiên cứu Mark Stillwell [6] và cộng sự công bố nghiên<br /> cứu cung cấp dịch vụ hạ tầng dựa trên hệ thống điện toán đám mây mã nguồn mở, đề<br /> xuất thuật toán lập lịch tối ưu và xem xét tới khả năng phân công linh hoạt cho phép<br /> sử dụng tối đa được nguồn tài nguyên máy chủ vật lý. Trong khi đó Zhen Xiao [7] và<br /> cộng sự đã đề xuất chính sách cân bằng tải với cơ chế quản lý tài nguyên thông minh.<br /> Tác giả [7] cho rằng các hệ thống cung cấp tài nguyên hiện có là tài nguyên của bộ vi<br /> xử lý phụ thuộc vào các lõi và tiến trình quản lý tài nguyên. Giải pháp trong [7] đề<br /> 3<br /> <br /> nGuyễn hà huy CƯờnG<br /> <br /> xuất thông qua các chiến lược cạnh tranh giữa các tiến trình có nhu cầu tài nguyên,<br /> dựa vào chiến lược này bộ quản lý tiến trình trở nên linh hoạt và đáp ứng yêu cầu tài<br /> nguyên một cách hiệu quả. Có thể thấy rằng có nhiều cách khác nhau trong các hướng<br /> nghiên cứu cung cấp tài nguyên, các giải pháp đã đề xuất có những lợi thế song vẫn<br /> nảy sinh những tồn tại và khó khăn. Vì thế, chưa có giải pháp nào đáp ứng được tốt<br /> chất lượng dịch vụ cho người sử dụng tài nguyên ảo hóa.<br /> Trong môi trường Điện toán Đám mây với nhiều trung tâm dữ liệu (Data<br /> Center) được phân tán trên mọi bề mặt địa lý. Các trung tâm máy chủ ảo này được gộp<br /> lại từ các máy chủ vật lý kết nối thống qua môi trường truyền mạng được xây dựng<br /> dựa trên nền tảng phần cứng phân tán và hỗn tạp. Việc nghiên cứu các giải pháp kỹ<br /> thuật cung cấp tài nguyên dựa trên hệ thống máy chủ ảo nền tảng phân tán không thuần<br /> nhất cũng được nhiều nhà nghiên cứu trong nước và thế giới quan tâm nghiên cứu. Bài<br /> báo đề xuất xây dựng thuật toán ngăn chặn bế tắc với mô hình tối ưu tài nguyên M<br /> VM – out – of – N PM.<br /> 3. Mô hình cung cấp tài nguyên tối ưu M VM – out – of – N PM<br /> Dựa trên mô hình cung cấp tài nguyên phân tán P-out-of-Q[8], chúng tôi đề<br /> xuất mô hình cung cấp tài nguyên cho các máy chủ ảo từ các máy chủ vật lý phân tán<br /> M VM – out – of – N PM. Hình 1. 2 mô hình cung cấp tài nguyên M VM – out – of –<br /> N<br /> PM.<br /> <br /> Hình 2: Mô hình cung cấp tài nguyên M VM – out – of – N PM.<br /> Trong Hình 2 ký VM là máy ảo, PM là máy vật lý, M là số lượng số nguyên<br /> máy ảo được cung cấp từ N là số lượng máy chủ vật lý phân tán. Tài nguyên của máy<br /> vật lý cung cấp cho máy ảo bao gồm: CPU; RAM ; HDD được phân chi logic cho các<br /> 4<br /> <br /> nGuyễn hà huy CƯờnG<br /> <br /> máy ảo VM sử dụng.Thông qua môi trường truyền thông bằng cách gửi các thông điệp<br /> yêu cầu, thông điệp đáp ứng yêu cầu. Cung cấp tài nguyên được xác định theo công<br /> thức như sau:<br /> n<br /> <br /> ECPU = ACPU<br /> <br /> +<br /> <br /> ∑∑C<br /> <br /> m<br /> <br /> (1)<br /> ij CPU<br /> <br /> i=1 j=1<br /> <br /> Trong đó: E<br /> <br /> CPU<br /> <br /> n<br /> <br /> là tổng số tài nguyên của CPU, ACPU là số tài nguyên chưa được<br /> <br /> m<br /> <br /> cấp phát, ∑∑CijCPU là tài nguyên CPU đang bị n tiến trình khác chiếm giữ (đã được<br /> i=1 j=1<br /> <br /> cấp phát). Từ công thức (1) ta có thể thấy rằng tài nguyên của N máy vật lý phân tán<br /> được biểu diễn theo công thức như sau:<br /> N<br /> <br /> Mi<br /> <br /> ECPU =∑∑(<br /> Mi =1<br /> <br /> n<br /> <br /> Mi<br /> <br /> AjCPU +∑∑Cij CPU )<br /> j=1<br /> <br /> (2)<br /> <br /> M =1 j=1<br /> <br /> Trong công thức (2) các ký hiệu được giải thích như sau:<br /> -<br /> <br /> N số lượng các máy chủ vật lý phân tán.<br /> <br /> -<br /> <br /> CijCPU là tài nguyên CPU đang bị n tiến khác chiếm giữ.<br /> <br /> -<br /> <br /> E là tổng các nguồn tài nguyên CPU từ các máy chủ vật lý phân tán.<br /> <br /> Bây giờ chúng tiến hành xây dựng hàm tối ưu trong cung cấp tài nguyên cho mô<br /> hình M VM – out – of – N PM. Hàm mục tiêu Ftxác định chất lượng đáp ứng yêu cầu,<br /> tương ứng với độ ưu tiên tĩnh của các yêu cầu tài nguyên tạo máy ảo.<br /> M<br /> <br /> Q it<br /> Ft = ∑ ×SPi<br /> <br /> (3)<br /> <br /> Φ<br /> i=1<br /> <br /> i<br /> <br /> Đối với các máy chủ vật lý phân tán hàm mục tiêu Ftđược tính toán như sau:<br /> NM<br /> i<br /> <br /> Q it<br /> <br /> Ft =∑∑ ×SPij (4)<br /> <br /> 5<br /> <br />