I. Tổng Quan Về Mô Hình Tế Bào Tự Động Phân Tán
Công nghệ thông tin và viễn thông phát triển, đòi hỏi xử lý thông tin cao hơn. Các hệ thống xử lý thông tin hiện nay cần đáp ứng nhu cầu tăng tốc độ tính toán. Tốc độ phát triển phần cứng và phần mềm không đáp ứng đủ, khiến nhiều hệ thống tập trung thông thường không còn phù hợp với nhu cầu thực tế. Hệ thống phân tán có khả năng sử dụng đồng thời nhiều máy tính để giải quyết một bài toán là một hướng phát triển mới đầy tiềm năng. Nhờ sự kết hợp các máy tính thông thường, hệ thống phân tán không những tăng tốc độ xử lý mà còn giảm chi phí đầu tư so với hệ thống tập trung truyền thống. Các hệ thống phân tán hiện nay có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ y tế, giáo dục đến thiên văn học. Bằng cách tận dụng tốt sức mạnh và tài nguyên của tất cả các máy tính trong hệ thống, hệ phân tán hứa hẹn mang lại những thành tựu đột phá hơn nữa trong tương lai. Các ứng dụng phân tán hiện nay có thể cài đặt thông qua nhiều mô hình khác nhau. Một trong những mô hình tốt, phù hợp và có nhiều ưu điểm là mô hình tế bào tự động phân tán. Tác tử di động là các chương trình tự trị có thể di cư từ một nút sang một nút khác trong mạng, duyệt hệ thống để thực hiện nhiệm vụ trên các nút mà nó di chuyển tới. Mô hình này đang được phát triển nhằm thay thế mô hình truyền thông báo trong tương lai.
1.1. Ưu Điểm Của Mô Hình Tế Bào Tự Động Phân Tán
Với tính thích nghi và tính linh động của mình, các tác tử di động có thể làm đơn giản hóa việc thiết kế các hệ thống phân tán. Các nút trong hệ thống giờ đây không cần phải cài đặt các phần mềm phân tán phức tạp nữa, do các tác tử khi di chuyển đã mang theo cả mã nguồn của mình đến nút đích. Mô hình tác tử hiện nay đã được sử dụng trong một số hệ phân tán cụ thể. Ví dụ như trong hệ thống quản lý mạng, các tác tử di động được sử dụng để cải tiến hiệu năng hệ thống. Mỗi tác tử sẽ thực hiện việc duyệt trên mạng, thu thập thông tin tải của các nút, các liên kết và thông báo cho mỗi nút về thông tin này. Trong mô hình tế bào tự động phân tán, mỗi tác tử là một thực thể độc lập, vì vậy việc giao tiếp với nhau giữa các tác tử luôn là một vấn đề quan trọng. Các tác tử trong quá trình thực hiện các tác vụ của mình, có thể phải cần thông tin từ những tác tử khác. Ví dụ như trong các mạng sensor, khi các tác tử thu thập được thông tin từ môi trường, cần phải trao đổi thông tin với những tác tử lân cận nhằm tăng tính chính xác trong việc xử lý.
1.2. Bài Toán Truyền Bá Thông Tin Giữa Các Tác Tử
Để giải quyết vấn đề này, cần phải nghiên cứu những bài toán tương tác giữa các tác tử trong hệ thống. Và một trong những bài toán quan trọng nhất là bài toán truyền bá thông tin giữa các tác tử. Trong bài toán này, mỗi tác tử được giả định có một thông tin riêng. Và yêu cầu sau một số thực hiện, mỗi tác tử phải thu thập được thông tin của tất cả các tác tử khác trong hệ thống. Bài toán truyền bá thông tin giữa các tác tử trong mạng tĩnh đã được nghiên cứu bởi khá nhiều các tác giả. Mạng tĩnh là mạng tối ưu trên lý thuyết, trên mạng này không có sự thay đổi về hình trạng theo thời gian. Đây là loại mạng thường được sử dụng trong việc nghiên cứu giải thuật, do tính đơn giản của nó. Một số giải thuật tương đối hiệu quả cho bài toán truyền thông tin đã được đưa ra cho dạng mạng tĩnh này như giải thuật hẹn gặp hoặc giải thuật bầu thủ lĩnh [22]. Độ phức tạp của những giải thuật này cũng đã được tối ưu hóa, và gần như không thể cải tiến thêm được nữa.
II. Thách Thức Nghiên Cứu Mô Hình Tế Bào Tự Động
Tuy nhiên, các hệ thống trên thực tế không phải lúc nào cũng đạt được sự ổn định như mô hình lý thuyết. Sự thay đổi topo mạng thực tế diễn ra thường xuyên, khi có những nút rời bỏ hoặc tham gia vào hệ thống. Vì vậy, các thuật toán trên mạng tĩnh tương đối khó sử dụng trong các hệ thống thực. Do đó, trong luận văn này, tôi xin tập trung vào nghiên cứu một vấn đề khá mới, đó là bài toán truyền bá thông tin giữa các tác tử trong mạng động. Hiện nay, chỉ mới có nhóm tác giả T. Tiхeuil là tiến hành nghiên cứu một mô hình chung về vấn đề này [21]. Các tác giả đã đưa ra những đánh giá về độ phức tạp của bài toán trong những mô hình mạng động khác nhau. Tuy nhiên, bài báo chưa đánh giá được hết các độ phức tạp khác trong mô hình tế bào tự động trong mạng động, đồng thời chưa có những giải thuật cụ thể trong mô hình này. Luận văn này sẽ trình bày một số nghiên cứu về vấn đề truyền bá thông tin giữa các tác tử trong mạng động, và đề xuất hai giải thuật cải tiến cho vấn đề này. Hai giải thuật này sẽ được chứng minh cụ thể cũng như đưa ra những đánh giá về độ phức tạp theo những tiêu chí khác nhau.
2.1. Mạng Tĩnh So Với Mạng Động Sự Khác Biệt
Các hệ thống trên thực tế không phải lúc nào cũng đạt được sự ổn định như mô hình lý thuyết. Sự thay đổi topo mạng thực tế diễn ra thường xuyên, khi có những nút rời bỏ hoặc tham gia vào hệ thống. Vì vậy, các thuật toán trên mạng tĩnh tương đối khó sử dụng trong các hệ thống thực. Do đó, trong luận văn này, tôi xin tập trung vào nghiên cứu một vấn đề khá mới, đó là bài toán truyền bá thông tin giữa các tác tử trong mạng động. Hiện nay, chỉ mới có nhóm tác giả T. Tiхeuil là tiến hành nghiên cứu một mô hình chung về vấn đề này [21].
2.2. Đánh Giá Độ Phức Tạp Thuật Toán Trong Mạng Động
Các tác giả đã đưa ra những đánh giá về độ phức tạp của bài toán trong những mô hình mạng động khác nhau. Tuy nhiên, bài báo chưa đánh giá được hết các độ phức tạp khác trong mô hình tế bào tự động trong mạng động, đồng thời chưa có những giải thuật cụ thể trong mô hình này. Luận văn này sẽ trình bày một số nghiên cứu về vấn đề truyền bá thông tin giữa các tác tử trong mạng động, và đề xuất hai giải thuật cải tiến cho vấn đề này. Hai giải thuật này sẽ được chứng minh cụ thể cũng như đưa ra những đánh giá về độ phức tạp theo những tiêu chí khác nhau.
III. Phương Pháp Xây Dựng Cây Khung Tối Thiểu Phân Tán
Chương 3 đề cập đến bài toán xây dựng cây khung tối thiểu trong hệ phân tán. Chương này cũng đưa ra hai giải thuật xây dựng cây khung, 1 giải thuật cho mạng tĩnh và một cho mạng động. Đây là hai giải thuật rất quan trọng, liên quan trực tiếp đến các giải thuật sẽ được đề xuất trong chương 4.
3.1. Tư Tưởng Của Giải Thuật Xây Dựng Cây Khung
Giải thuật xây dựng cây khung tối thiểu (MST) là một trong những bài toán cơ bản trong lý thuyết đồ thị và có nhiều ứng dụng thực tế. Trong hệ phân tán, việc xây dựng MST đòi hỏi sự phối hợp giữa các nút mạng mà không có một nút trung tâm nào điều khiển. Điều này tạo ra những thách thức riêng về mặt thiết kế và phân tích thuật toán.
3.2. Giải Thuật Bảo Toàn Cây Khung Trong Mạng Động
Trong môi trường mạng động, các nút có thể tham gia hoặc rời khỏi mạng bất kỳ lúc nào. Do đó, việc duy trì một cây khung tối thiểu trở nên phức tạp hơn. Giải thuật bảo toàn cây khung (OMST) cần phải thích ứng với những thay đổi này một cách nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời đảm bảo tính đúng đắn của cây khung.
IV. Đề Xuất Giải Thuật Giải Quyết Bài Toán Truyền Tin
Chương 4 giới thiệu về giải thuật đơn giản nhất cho bài toán trong mạng động, đồng thời đề xuất hai giải thuật cải tiến. Hai giải thuật này có thể giảm được độ phức tạp di chuyển của tác tử nhờ vào việc xây dựng cây khung trong mạng. Các chứng minh về tính đúng đắn cũng như độ phức tạp của giải thuật cũng được đưa ra một cách chi tiết.
4.1. Giải Thuật Duyệt Toàn Mạng Ý Tưởng
Giải thuật duyệt toàn mạng là một phương pháp đơn giản để truyền bá thông tin trong mạng động. Tuy nhiên, nó có thể không hiệu quả về mặt chi phí di chuyển của tác tử. Ý tưởng chính của giải thuật này là cho phép mỗi tác tử di chuyển đến tất cả các nút trong mạng để thu thập thông tin.
4.2. Giải Thuật Dựa Trên Cây Khung Tĩnh Cải Tiến
Giải thuật dựa trên cây khung tĩnh cố gắng cải thiện hiệu suất bằng cách sử dụng một cây khung cố định để hướng dẫn di chuyển của tác tử. Tuy nhiên, nó có thể không thích ứng tốt với những thay đổi trong mạng động. Ý tưởng chính là xây dựng một cây khung ban đầu và sử dụng nó để truyền bá thông tin.
4.3. Giải Thuật Dựa Trên Mô Hình Cây Khung Động
Giải thuật dựa trên mô hình cây khung động là một phương pháp linh hoạt hơn, cho phép cây khung thay đổi theo thời gian để thích ứng với những thay đổi trong mạng. Ý tưởng chính là duy trì một cây khung cập nhật và sử dụng nó để truyền bá thông tin một cách hiệu quả.
V. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mô Hình Tế Bào Tự Động
Mô hình tế bào tự động phân tán có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng tiềm năng bao gồm quản lý mạng, hệ thống cảm biến, và các ứng dụng phân tán khác.
5.1. Quản Lý Mạng Tối Ưu Hóa Hiệu Năng Hệ Thống
Trong quản lý mạng, các tác tử di động có thể được sử dụng để thu thập thông tin về trạng thái của mạng, phát hiện các vấn đề, và thực hiện các hành động khắc phục. Điều này có thể giúp tối ưu hóa hiệu năng hệ thống và giảm thiểu thời gian chết.
5.2. Hệ Thống Cảm Biến Thu Thập Dữ Liệu Chính Xác
Trong hệ thống cảm biến, các tác tử di động có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu, và truyền dữ liệu đến các trung tâm xử lý. Điều này có thể giúp tăng tính chính xác và hiệu quả của hệ thống cảm biến.
VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Mô Hình Tế Bào Tự Động
Luận văn đã trình bày một số nghiên cứu về vấn đề truyền bá thông tin giữa các tác tử trong mạng động, và đề xuất hai giải thuật cải tiến. Các kết quả nghiên cứu này có thể đóng góp vào việc phát triển các hệ thống phân tán hiệu quả hơn trong tương lai.
6.1. Tối Ưu Hóa Giải Thuật Truyền Bá Thông Tin
Một hướng phát triển tiềm năng là tối ưu hóa các giải thuật truyền bá thông tin để giảm thiểu chi phí di chuyển của tác tử và tăng tính thích ứng với những thay đổi trong mạng.
6.2. Nghiên Cứu Các Mô Hình Mạng Động Phức Tạp
Một hướng phát triển khác là nghiên cứu các mô hình mạng động phức tạp hơn, chẳng hạn như các mạng có tính di động cao hoặc các mạng có cấu trúc thay đổi liên tục.
