Luận văn Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật toán lý thuyết đồ thị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM HUỲNH BÁ THANH TÙNG - 0112079 TRẦN VIỆT CƯỜNG - 0112339 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ THỬ NGHIỆM MỘT SỐ THUẬT TOÁN LÝ THUYẾT ĐỒ THỊ KHÓA LUẬN CỬ NHÂN TIN HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS. TRẦN ĐAN THƯ Th.S NGUYỄN THANH SƠN NIÊN KHÓA 2001-2005 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... LỜI CẢM ƠN Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy Trần Đan Thư và thầy Nguyễn Thanh Sơn, hai thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Chúng con xin gửi tất cả lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng đến ông bà, cha mẹ, cùng toàn thể gia đình, những người đã nuôi dạy chúng con trưởng thành đến ngày hôm nay. Chúng em cũng xin chân thành cám ơn quý Thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em thực hiện tốt luận văn này. Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ, động viên và chỉ bảo rất nhiệt tình của các anh chị và tất cả các bạn, những người đã giúp chúng tôi có đủ nghị lực và ý chí để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn luận văn không khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô và các bạn. TP.HCM, 7/2005 Nhóm sinh viên thực hiện Huỳnh Bá Thanh Tùng - Trần Việt Cường LỜI NÓI ĐẦU Nhân lọai ngày nay đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của ngành Công nghệ Thông tin, một trong những ngành mũi nhọn của nhiều quốc gia trên thế giới. Sự phát triển vượt bậc của nó là kết quả tất yếu của sự phát triển kèm theo các thiết bị phần cứng cũng như phần mềm tiện ích. Sự phát triển đó đã kéo theo rất nhiều các ngành khác phát triền theo, trong đó có lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Tuy công nghệ ngày càng phát triển, tốc độ xử lý của các thiết bị cũng không ngừng tăng cao, nhưng nhu cầu tính toán của con người vẫn còn rất lớn. Cho đến hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề mà các nhà khoa học cùng với khả năng tính toán của các máy tính hiện nay vẫn chưa giải quyết được hay giải quyết được nhưng với thời gian rất lớn. Các vấn đề đó có thể là : • Mô hình hóa và giả lập • Xử lý thao tác trên các dữ liệu rất lớn • Các vấn đề “grand challenge” (là các vấn đề không thể giải quyết trong thời gian hợp lý) Lời giải cho những vấn đề này đã dẫn đến sự ra đời của các thế hệ siêu máy tính. Tuy nhiên việc đầu tư phát triển cho các thiết bị này gần như là điều quá khó khăn đối với nhiều người, tổ chức, trường học…. Chính vì lẽ đó mà ngày nay người ta đang tập trung nghiên cứu cách cách sử dụng các tài nguyên phân bố một cách hợp lý để tận dụng được khả năng tính toán của các máy tính đơn. Những giải pháp này được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau như meta- computing, salable-computing, global- computing, internet computing và gần nhất hiện nay là peer to peer computing hay Grid computing. Đây là phương pháp nhằm tận dụng khả năng của các máy tính trên toàn mạng thành một máy tính “ảo” duy nhất, nhằm hợp nhất tài nguyên tính toán ở nhiều nơi trên thế giới để tạo ra một khả năng tính toán khổng lồ, góp phần giải quyết các vấn đề khó khăn trong khoa học và công nghệ. Ngày nay nó đang càng được sự hỗ trợ mạnh hơn của các thiết bị phần cứng, băng thông… Grid Computing có khả năng chia sẻ, chọn lựa, và thu gom một số lượng lớn những tài nguyên khác nhau bao gồm những siêu máy tính, các hệ thống lưu trữ, cùng với những nguồn dữ liệu, các thiết bị đặt biệt… Những tài nguyên này được phân bố ở các vùng địa lý khác nhau và thuộc về các tổ chức khác nhau. Nhận thấy được nhu cầu phát triển ấy, nhóm chúng em đã quyết định chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu tính toán lưới và thực nghiệm trên một số thuật toán lý thuyết đồ thị” Mục tiêu của đề tài đề ra là tìm hiểu về tính toán lưới, và qua đó tận dụng các kiến thức có được để có thể cài đặt một số thuật toán lý thuyết đồ thị, nhằm có thể giải quyết các vấn đề tìm đường đi khi số đỉnh tương đối lớn… Các nội dung chính: • Nghiên cứu tính toán lưới • Tìm hiểu các môi trường hỗ trợ • Tìm hiểu lập trinh song song và phân tán • Cài đặt một số thuật toán với kiến thức có được Nội dung của luận văn được chia làm 6 chương : Chương 1. Giới thiệu : Giới thiệu tổng quan về tính toán lưới, khái niệm lịch sử phát triển. Chương 2. Tính toán song song và phân bố : Trình bày về các kiến trúc, mô hình xử lý song song và phân bố, cách thức xây dựng chương trình, thiết kế thuật toán… Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới : Tìm hiểu về các môi trường đang được sử dụng và nghiên cứu hiện nay trên thế giới. Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI : Mô hình cụ thể được dùng để phát triển ứng dụng MPI. Chương 5. Thử nghiệm các thuật toán lý thuyết đồ thị : Cách thức xây dựng chương trình , các khái niệm lý thuyết, thực nghiệm thực tế … Chương 6. Tổng kết : Nêu các kết quả đã đạt được, một số vấn đề còn tồn tại, định hướng mục tiêu mở rộng phát triển đề tài trong tương lai. Mục lục Danh sách hình..................................................................................................... 11 Chương 1. Giới thiệu ........................................................................................... 13 1.1. Các khái niệm.......................................................................................... 13 1.2. Những thách thức đối với tính toán lưới ................................................. 16 Chương 2. Tính toán song song và phân bố ...................................................... 17 2.1. Khái niệm ................................................................................................ 17 2.2. Nền tảng tính toán song song và phân bố ............................................... 18 2.2.1. Kiến trúc xử lý song song và phân bố ..............................................18 2.2.2. Tổ chức vật lý của các nền tảng song song và phân bố ....................25 2.3. Một số mô hình lập trình song song thông dụng..................................... 26 2.3.1. Mô hình chia sẽ không gian bộ nhớ..................................................26 2.3.2. Mô hình truyền thông điệp ...............................................................27 2.4. Cách thức xây dựng một chương trình song song và phân bố ................ 29 2.4.1. Các thuật ngữ căn bản.......................................................................29 2.4.2. Thiết kế thuật toán song song ...........................................................31 2.4.3. Một số phương pháp tối ưu...............................................................43 2.4.4. Các mô hình thuật toán song song....................................................48 Chương 3. Các môi trường hỗ trợ tính toán lưới ............................................. 52 3.1. Giới thiệu................................................................................................. 52 3.2. Các vấn đề khi lập trình luới ................................................................... 53 3.2.1. Tính mang chuyển, tính khả thi và khả năng thích ứng....................53 3.2.2. Khả năng phát hiện tài nguyên .........................................................54 3.2.3. Hiệu năng..........................................................................................54 3.2.4. Dung lỗi ............................................................................................55 3.2.5. Bảo mật .............................................................................................55 3.2.6. Các siêu mô hình...............................................................................55 3.3. Tổng quát về các môi trường hỗ trợ........................................................ 56 3.3.1. Một số môi trường Grid....................................................................56 3.3.2. Những mô hình lập trình và công cụ hỗ trợ......................................59 3.3.3. Môi trường cài đặt ............................................................................64 3.4. Những kỹ thuật nâng cao hỗ trợ lập trình ............................................... 75 3.4.1. Các kỹ thuật truyền thống.................................................................76 3.4.2. Các kỹ thuật hướng dữ liệu...............................................................76 3.4.3. Các kỹ thuật suy đoán và tối ưu........................................................77 3.4.4. Các kỹ thuật phân tán........................................................................77 3.4.5. Nhập xuất hướng Grid ......................................................................78 3.4.6. Các dịch vụ giao tiếp cấp cao ...........................................................78 3.4.7. Bảo mật .............................................................................................80 3.4.8. Dung lỗi ............................................................................................80 3.4.9. Các siêu mô hình và hệ thống thời gian thực hướng Grid................82 3.5. Tóm tắt .................................................................................................... 83 Chương 4. Mô hình lập trình truyền thông điệp - MPI................................... 85 4.1. Các khái niệm cơ bản .............................................................................. 86 4.2. Cấu trúc chương trình MPI ..................................................................... 89 4.3. Trao đổi thông tin điểm-điểm ................................................................. 90 4.3.1. Các thông tin của thông điệp ............................................................90 4.3.2. Các hình thức truyền thông...............................................................91 4.3.3. Giao tiếp blocking.............................................................................92 4.3.4. Giao tiếp non-blocking .....................................................................96 4.4. Trao đổi thông tin tập hợp..................................................................... 101 4.4.1. Đồng bộ hóa....................................................................................101 4.4.2. Di dời dữ liệu trong nhóm ..............................................................101 4.4.3. Tính toán gộp ..................................................................................105 4.5. Các kiểu dữ liệu..................................................................................... 109 4.5.1. Những kiểu dữ liệu đã được định nghĩa .........................................109 4.5.2. Các kiểu dữ liệu bổ sung.................................................................110 4.5.3. Pack và UnPack ..............................................................................113 Chương 5. Thử nghiệm các thuật toán lý thuyết đồ thị ................................. 114 5.1. Các khái niệm cơ bản ......................................................................