Luận Án Tiến Sĩ: Hướng Tiếp Cận SWOT Cho Cân Bằng Tải Trong Điện Toán Đám Mây

• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Công Hùng
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
• Đề tài: Hướng Tiếp Cận SWOT Để Tối Ưu Cân Bằng Tải Trong Điện Toán Đám Mây
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỤC LỤC
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Những đóng góp chính của luận án
• 0.6. Cấu trúc của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG TẢI TRONG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY
• 1.2.1. Giới thiệu về cân bằng tải
• 1.2.2. Mục đích cân bằng tải
• 1.2.3. Phân loại cân bằng tải
• 1.2.4. Đo lường cân bằng tải
• 1.2.5. Các chính sách trong cân bằng tải
• 1.2.6. Các mục tiêu chính của thuật toán cân bằng tải
• 1.2.7. Một số thuật toán cân bằng tải phổ biến
• 1.3. MỘT SỐ THUẬT TOÁN AI ỨNG DỤNG VÀO CÂN BẰNG TẢI
• 1.3.1. Tổng quan một số thuật toán AI
• 1.3.2. Một số thuật toán ML ứng dụng vào CBT
• 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• 2. CHƯƠNG 2: TIẾP CẬN SWOT CHO CÂN BẰNG TẢI TRÊN ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY
• 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 2.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG CỤ SWOT
• 2.3. PHÂN TÍCH SWOT HIỆU NĂNG CÂN BẰNG TẢI TRÊN CLOUD
• 2.3.1. Hiệu năng cân bằng tải trên cloud
• 2.3.2. Phân tích SWOT cân bằng tải
• 2.4. CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
• 2.4.1. CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN CLOUD VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CBT TRÊN MÔI TRƯỜNG ĐÁM MÂY
• 2.4.2. CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN CBT THEO HƯỚNG TIẾP CẬN BÊN TRONG
• 2.4.3. CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN CBT THEO HƯỚNG TIẾP CẬN BÊN NGOÀI
• 2.4.4. CLOUDSIM – CÔNG CỤ MÔ PHỎNG ĐÁM MÂY
• 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• 3. CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG TẢI THEO HƯỚNG TIẾP CẬN BÊN TRONG
• 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 3.2. THUẬT TOÁN MCCVA
• 3.3. THUẬT TOÁN APRTA
• 3.4. THUẬT TOÁN RCBA
• 3.5. THUẬT TOÁN ITA
• 3.6. TỔNG KẾT CHƯƠNG
• 4. CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG TẢI THEO HƯỚNG TIẾP CẬN BÊN NGOÀI
• 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 4.2. DEADLOCK VÀ THUẬT TOÁN PDOA
• 4.2.1. Khái niệm Deadlock
• 4.2.2. Deadlock trên cloud
• 4.2.3. Thuật toán đề xuất PDOA
• 4.3. HÀNH VI NGƯỜI DÙNG CLOUD VÀ THUẬT TOÁN K-CTPA
• 4.3.1. Hành vi người dùng cloud với độ ưu tiên tác vụ
• 4.3.2. Thuật toán k-CTPA
• 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• PHẦN KẾT LUẬN
• 0.1. Các kết quả đã đạt được
• 0.2. Hướng phát triển của đề tài luận án
• CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Điện Toán Đám Mây và Cân Bằng Tải Giải Pháp

Điện toán đám mây (Cloud computing) đã trở thành hạ tầng CNTT không thể thiếu nhờ tính linh hoạt và khả năng điều chỉnh dịch vụ theo nhu cầu. Nó cho phép mở rộng hoặc thu gọn tài nguyên, tăng cường hiệu suất và tối ưu hóa sử dụng tài nguyên. Trong quá trình tối ưu hóa hiệu năng điện toán đám mây, cân bằng tải (Load Balancing) đóng vai trò trung tâm trong việc đảm bảo các hoạt động trên môi trường điện toán đám mây. Cân bằng tải không chỉ đảm bảo các dịch vụ chất lượng cao mà còn được cung cấp một cách kịp thời.

1.1. Kiến trúc điện toán đám mây và các mô hình triển khai

Điện toán đám mây cung cấp nhiều mô hình triển khai khác nhau, bao gồm Public Cloud, Private Cloud, Hybrid Cloud và Community Cloud. Mỗi mô hình có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các yêu cầu khác nhau về bảo mật, chi phí và hiệu suất. Ví dụ, Public Cloud (AWS, Azure, Google Cloud) cung cấp khả năng mở rộng linh hoạt và chi phí thấp, nhưng có thể không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu bảo mật cao. Private Cloud cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn về bảo mật, nhưng đòi hỏi đầu tư lớn hơn về cơ sở hạ tầng. Việc lựa chọn mô hình phù hợp là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả điện toán đám mây.

1.2. Vai trò của cân bằng tải trong kiến trúc điện toán đám mây

Cân bằng tải (cân bằng tải đám mây) đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối tải công việc đồng đều trên các tài nguyên điện toán đám mây. Nó giúp ngăn ngừa tình trạng quá tải trên một số máy chủ, đảm bảo hiệu suất ổn định và cải thiện khả năng chịu lỗi của hệ thống. Cân bằng tải có thể được thực hiện ở nhiều lớp khác nhau trong kiến trúc điện toán đám mây, bao gồm cân bằng tải mạng, cân bằng tải ứng dụng và cân bằng tải cơ sở dữ liệu. Việc lựa chọn phương pháp cân bằng tải phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và kiến trúc hệ thống.

II. Thách Thức Cân Bằng Tải Đám Mây Phân Tích SWOT Hiệu Quả

Luận án này tập trung phân tích cân bằng tải trong môi trường đám mây với ý tưởng từ cách tiếp cận SWOT (điểm mạnh, điểm yếu, cơ hội và nguy cơ). Từ đó đưa ra đánh giá cân bằng tải với hai hướng tiếp cận: hướng tiếp cận bên trong (phân tích các thuật toán cân bằng tải liên quan đến các yếu tố bên trong của bộ cân bằng tải) và hướng tiếp cận bên ngoài (xem xét các yếu tố bên ngoài bộ cân bằng tải, như hành vi của người dùng đám mây, cấu trúc mạng,...). Với mỗi hướng tiếp cận, luận án nghiên cứu các phương pháp học máy và khai phá dữ liệu tương ứng để cải thiện hiệu năng cân bằng tải.

2.1. Điểm mạnh và điểm yếu của các thuật toán cân bằng tải hiện tại

Các thuật toán cân bằng tải hiện tại như Round Robin, Max-Min, Min-Min, CLBDM, Active Clustering có những điểm mạnh và điểm yếu riêng. Round Robin đơn giản và dễ triển khai, nhưng có thể không hiệu quả khi các máy chủ có năng lực khác nhau. Max-Min và Min-Min cố gắng tối ưu hóa thời gian hoàn thành công việc, nhưng có thể dẫn đến tình trạng một số máy chủ bị quá tải. Việc phân tích SWOT giúp xác định rõ các ưu và nhược điểm của từng thuật toán, từ đó đưa ra lựa chọn phù hợp cho từng tình huống cụ thể.

2.2. Cơ hội và thách thức khi ứng dụng phân tích SWOT vào CBT

Việc ứng dụng phân tích SWOT vào cân bằng tải đám mây (Phân tích SWOT điện toán đám mây) mang lại cơ hội để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Tuy nhiên, cũng có những thách thức cần vượt qua. Ví dụ, việc thu thập và phân tích dữ liệu về hiệu năng của hệ thống có thể tốn kém và phức tạp. Việc xác định các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến hiệu năng của cân bằng tải, như hành vi của người dùng, cũng đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực điện toán đám mây. Theo [66], Phân tích SWOT giúp đánh giá toàn diện hệ thống cân bằng tải.

2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất cân bằng tải đám mây

Hiệu suất của cân bằng tải đám mây bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tốc độ mạng, độ trễ, dung lượng của các máy chủ, và thuật toán cân bằng tải được sử dụng. Việc lựa chọn thuật toán cân bằng tải phù hợp là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu. Các thuật toán cân bằng tải khác nhau có thể phù hợp với các loại ứng dụng và môi trường khác nhau. Ví dụ, thuật toán Round Robin có thể phù hợp với các ứng dụng có tải ổn định, trong khi các thuật toán phức tạp hơn như Least Connections có thể phù hợp với các ứng dụng có tải biến động.

III. Phương Pháp Cân Bằng Tải Tiếp Cận Bên Trong Thuật Toán Mới

Với hướng tiếp cận bên trong, luận án tập trung phân tích các thuật toán cân bằng tải có liên quan đến các yếu tố bên trong của bộ cân bằng tải như thời gian phản hồi, thông lượng, các tham số khác và các đặc điểm bên trong khác. Luận án đề xuất 4 thuật toán cân bằng tải (MCCVA, APRTA, RCBA và ITA) theo hướng tiếp cận từ bên trong. Các thuật toán được cài đặt triển khai mô phỏng giả lập trên môi trường mô phỏng CloudSim và so sánh với các thuật toán cân bằng tải phổ biến hiện nay (Round Robin, Max Min, Min Min và FCFS).

3.1. Tổng quan về các thuật toán MCCVA APRTA RCBA và ITA

Các thuật toán MCCVA, APRTA, RCBA và ITA được thiết kế để cải thiện hiệu suất của cân bằng tải bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau. MCCVA (Makespan Classification & Clustering VM Algorithm) phân loại và gom cụm máy ảo để tối ưu hóa thời gian xử lý. APRTA (Adaptive Prediction Response Time Algorithm) dự đoán thời gian đáp ứng của máy ảo để đưa ra quyết định cân bằng tải. RCBA (Response Time Classification with Naïve Bayes Algorithm) phân loại thời gian đáp ứng bằng thuật toán Naïve Bayes. ITA (Improved Throttle Algorithm) là một thuật toán cải tiến của Throttled Algorithm. Các thuật toán này đều hướng đến việc cải thiện hiệu suất điện toán đám mây.

3.2. Đánh giá hiệu năng của thuật toán MCCVA trong CloudSim

Thuật toán MCCVA được đánh giá trong môi trường mô phỏng CloudSim với các thông số khác nhau. Kết quả cho thấy rằng MCCVA có thể cải thiện thời gian xử lý so với các thuật toán cân bằng tải truyền thống. Cụ thể, thuật toán MCCVA giúp cân bằng tải hiệu quả và giảm thiểu thời gian chờ đợi của các tác vụ, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Bảng 1 thể hiện thông số cấu hình Datacenter sử dụng cho thuật toán MCCVA.

3.3. So sánh hiệu quả của các thuật toán mới với Round Robin

Việc so sánh hiệu quả của các thuật toán MCCVA, APRTA, RCBA và ITA với thuật toán Round Robin giúp đánh giá khả năng cải thiện hiệu suất của các thuật toán mới. Kết quả cho thấy rằng các thuật toán mới có thể cải thiện thời gian phản hồi và thông lượng so với Round Robin trong nhiều tình huống khác nhau. Tuy nhiên, hiệu quả của từng thuật toán có thể khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của ứng dụng và môi trường điện toán đám mây.

IV. Tiếp Cận Bên Ngoài CBT Thuật Toán PDOA K CTPA Tối Ưu

Với hướng tiếp cận bên ngoài, luận án xem xét các yếu tố bên ngoài bộ cân bằng tải, như hành vi của người dùng đám mây, cấu trúc mạng và môi trường địa lý của Internet, mức độ ưu tiên của các yêu cầu từ phía người dùng. Luận án đề xuất 2 thuật toán cân bằng tải (PDOA và k-CTPA) theo hướng tiếp cận từ bên ngoài. Các thuật toán được cài đặt triển khai mô phỏng giả lập trên môi trường mô phỏng CloudSim và so sánh với các thuật toán cân bằng tải phổ biến hiện nay.

4.1. Giải quyết Deadlock với thuật toán PDOA trong môi trường đám mây

Deadlock là một vấn đề nghiêm trọng trong môi trường điện toán đám mây, có thể dẫn đến tình trạng hệ thống bị treo hoặc hoạt động không ổn định. Thuật toán PDOA (Prediction Deadlock Occurance Algorithm) được đề xuất để dự đoán và ngăn chặn deadlock trong hệ thống. Bằng cách theo dõi trạng thái của các tài nguyên và dự đoán khả năng xảy ra deadlock, PDOA có thể đưa ra các quyết định điều phối tài nguyên để tránh tình trạng này. Theo [16], Deadlock là một vấn đề cần được quan tâm trong cloud.

4.2. Thuật toán K CTPA Ưu tiên tác vụ theo hành vi người dùng Cloud

Thuật toán k-CTPA (kNN Classification Task Priority Algorithm) được thiết kế để ưu tiên các tác vụ dựa trên hành vi của người dùng cloud. Bằng cách phân tích lịch sử sử dụng tài nguyên của người dùng, k-CTPA có thể dự đoán mức độ quan trọng của từng tác vụ và ưu tiên các tác vụ quan trọng hơn. Điều này giúp cải thiện trải nghiệm người dùng và đảm bảo rằng các tác vụ quan trọng được hoàn thành kịp thời. Thuật toán k-CTPA sử dụng độ ưu tiên của request để sắp xếp thứ tự thực hiện.

4.3. Đánh giá hiệu quả của PDOA và k CTPA trên CloudSim

Các thuật toán PDOA và k-CTPA được đánh giá trong môi trường mô phỏng CloudSim với các thông số khác nhau. Kết quả cho thấy rằng PDOA có thể giảm thiểu số lượng deadlock xảy ra trong hệ thống, trong khi k-CTPA có thể cải thiện thời gian phản hồi của các tác vụ quan trọng. Bảng 2,3,4,5 so sánh thời gian đáp ứng giữa PDOA và các thuật toán khác trong các trường hợp khác nhau, đánh giá hiệu quả của thuật toán mới.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Kết Quả Nghiên Cứu Về Cân Bằng Tải

Luận án đã đề xuất được 4 thuật toán cân bằng tải (MCCVA, APRTA, RCBA và ITA) theo hướng tiếp cận từ bên trong, 2 thuật toán cân bằng tải (PDOA và k-CTPA) theo hướng tiếp cận từ bên ngoài. Tương ứng với mỗi thuật toán, xuất phát từ các góc độ phân tích khác nhau của bộ cân bằng tải, mà luận án sử dụng các thông số đo lường khác nhau để đánh giá mô phỏng giả lập (thời gian đáp ứng, thời gian thực hiện, speedup…). Kết quả từ việc mô phỏng đã chứng minh tính vượt trội và khả năng cải thiện hiệu suất của thuật toán học máy dự đoán trong việc tối ưu hóa bộ cân bằng tải trong điện toán đám mây.

5.1. Phân tích và so sánh kết quả mô phỏng của các thuật toán

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các thuật toán được đề xuất có thể cải thiện hiệu suất của cân bằng tải trong nhiều tình huống khác nhau. Tuy nhiên, hiệu quả của từng thuật toán có thể khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của ứng dụng và môi trường điện toán đám mây. Việc phân tích và so sánh kết quả mô phỏng giúp xác định điểm mạnh và điểm yếu của từng thuật toán, từ đó đưa ra lựa chọn phù hợp cho từng tình huống cụ thể.

5.2. Triển khai các thuật toán trên các nền tảng Cloud thực tế

Để đánh giá hiệu quả của các thuật toán trong môi trường thực tế, việc triển khai các thuật toán trên các nền tảng Cloud như AWS, Azure, Google Cloud là cần thiết. Việc triển khai thực tế giúp xác định các vấn đề phát sinh trong quá trình vận hành và đưa ra các điều chỉnh phù hợp. Ngoài ra, việc triển khai thực tế cũng giúp thu thập dữ liệu về hiệu năng của hệ thống trong môi trường thực tế, từ đó cải thiện độ chính xác của các mô hình dự đoán.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Của Nghiên Cứu Về CBT Cloud

Nghiên cứu đã đóng góp vào việc cải thiện cân bằng tải trong môi trường điện toán đám mây thông qua việc đề xuất các thuật toán mới và phân tích hiệu quả của các thuật toán này. Nghiên cứu cũng mở ra các hướng phát triển mới cho lĩnh vực này, bao gồm việc ứng dụng các kỹ thuật học máy tiên tiến hơn và việc nghiên cứu các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến hiệu năng của cân bằng tải. Các công trình nghiên cứu đã công bố của tác giả được trình bày ở cuối Luận án.

6.1. Tổng kết các kết quả đạt được và hạn chế của nghiên cứu

Luận án đã đạt được những kết quả đáng kể trong việc cải thiện cân bằng tải trong môi trường điện toán đám mây. Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục. Ví dụ, các thuật toán được đề xuất chưa được đánh giá trong môi trường thực tế với quy mô lớn. Ngoài ra, nghiên cứu chưa xem xét đến các yếu tố bảo mật và chi phí khi triển khai các thuật toán.

6.2. Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai về cân bằng tải

Trong tương lai, có nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng về cân bằng tải trong môi trường điện toán đám mây. Ví dụ, có thể nghiên cứu các thuật toán cân bằng tải dựa trên trí tuệ nhân tạo, các thuật toán cân bằng tải tự động điều chỉnh theo tải, và các thuật toán cân bằng tải tích hợp các yếu tố bảo mật. Nghiên cứu này có thể mở ra các hướng mới cho lĩnh vực cân bằng tải và góp phần vào việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của điện toán đám mây.