Thuật toán quản lý tài nguyên cho dịch vụ IoT trên môi trường điện toán biên - đám mây

Luận văn đề xuất thuật toán tối ưu hóa tài nguyên và năng lượng cho dịch vụ IoT trên môi trường điện toán biên - đám mây, giải quyết bài toán phân phối động.

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
• Đề tài: Thuật toán quản lý tài nguyên cho các dịch vụ IoT trên môi trường điện toán biên – điện toán đám mây
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thuật toán Tối ưu Tài nguyên cho IoT trên Điện toán Biên Mây

Thuật toán tối ưu tài nguyên đã trở thành một yếu tố quan trọng trong việc quản lý các dịch vụ IoT (Internet of Things) trên nền tảng điện toán biên-mây (edge-cloud computing). Sự phổ biến của các hệ thống IoT ngày nay đặt ra những thách thức lớn như đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS), tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và quản lý tài nguyên hiệu quả. Mô hình điện toán kết hợp biên-mây nổi lên như một giải pháp toàn diện, kết hợp sức mạnh của điện toán biên (edge computing) để xử lý dữ liệu gần người dùng và điện toán đám mây (cloud computing) để xử lý toàn bộ hệ thống. Bằng cách ứng dụng các công nghệ tiên tiến như SDN (Software Defined Network) và NFV (Network Function Virtualization), các ứng dụng IoT có thể triển khai dưới dạng các chức năng ảo (VNF) một cách linh hoạt, nhanh chóng trên các thiết bị phần cứng khác nhau.

1.1. Định nghĩa và Khái niệm cơ bản

Thuật toán tối ưu tài nguyên là các phương pháp được thiết kế để phân bổ hiệu quả các tài nguyên hệ thống như CPU, bộ nhớ, băng thông cho các dịch vụ IoT. Chuỗi dịch vụ (SFC - Service Function Chain) là mô hình triển khai các VNF theo một trình tự nhất định, đảm bảo các dịch vụ hoạt động liên tục và hiệu quả. Mô hình edge-cloud kết hợp sức mạnh xử lý của cả biên và mây, giúp giảm độ trễ và tối ưu hóa năng lượng.

1.2. Tầm quan trọng trong Hệ thống IoT hiện đại

Các hệ thống IoT hiện đại yêu cầu quản lý tài nguyên động và tối ưu hóa năng lượng để hoạt động bền vững. Không có thuật toán tối ưu hóa phù hợp, hệ thống sẽ lãng phí tài nguyên, tăng chi phí vận hành và tiêu thụ năng lượng thừa. Do đó, việc phát triển các thuật toán quản lý tài nguyên hiệu quả là nhu cầu cấp thiết cho ngành công nghiệp IoT.

II. Thách thức trong Phân phối Ứng dụng IoT trên Môi trường Edge Cloud

Việc triển khai các ứng dụng IoT trên kiến trúc edge-cloud gặp phải nhiều thách thức phức tạp. Thách thức chính là đánh đổi giữa tài nguyên và năng lượng với hiệu năng ứng dụng. Khi cố gắng tiết kiệm tài nguyên và năng lượng, hệ thống có thể giảm hiệu suất, dẫn đến không đáp ứng được QoS yêu cầu. Ngoài ra, tài nguyên thực tế thường thay đổi linh hoạt theo thời gian, làm cho việc quản lý tài nguyên động trở nên phức tạp. Các yêu cầu khởi tạo hoặc hủy bỏ ứng dụng xảy ra ngẫu nhiên, đòi hỏi thuật toán phải đáp ứng kịp thời và đưa ra quyết định nhanh chóng. Vấn đề lựa chọn vị trí triển khai VNF cũng rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ trễ mạng, tiêu thụ năng lượng và hiệu suất.

2.1. Đánh đổi Tài nguyên Năng lượng với Hiệu năng

Tối ưu hóa tài nguyên và tiết kiệm năng lượng thường đi kèm với việc giảm hiệu suất. Cần có cân bằng tối ưu giữa các yếu tố này. Thuật toán RE-SCE được đề xuất là giải pháp để tìm ra điểm cân bằng tốt nhất, đảm bảo chất lượng dịch vụ cao trong khi vẫn tối ưu hóa tài nguyên và năng lượng.

2.2. Quản lý Tài nguyên Động trong Hệ thống

Tài nguyên hệ thống không phải luôn cố định mà thay đổi theo thời gian thực. Quản lý tài nguyên động yêu cầu thuật toán phải theo dõi liên tục tình trạng tài nguyên và điều chỉnh kịp thời việc phân bổ. Các yêu cầu khởi tạo/hủy bỏ xảy ra ngẫu nhiên, làm cho việc dự đoán tài nguyên trở nên khó khăn.

III. Thuật toán RE SCE Giải pháp Tối ưu Tài nguyên và Năng lượng

Thuật toán RE-SCE (Resource and Energy-aware Service Chain Embedding) là giải pháp quản lý tài nguyên tiên tiến được phát triển để giải quyết các thách thức nêu trên. Đây là một thuật toán heuristic dựa trên kinh nghiệm, có khả năng đưa ra kết quả theo thời gian thực mà không cần chờ đợi lâu. Thuật toán RE-SCE được thiết kế để tối ưu hóa cả tài nguyên và năng lượng của hệ thống edge-cloud, trong khi vẫn duy trì chất lượng dịch vụ cao. Nó giải quyết bài toán phân phối chuỗi dịch vụ bằng cách xác định vị trí tối ưu để triển khai các VNF, giảm thiểu độ trễ mạng, tiêu thụ năng lượng và lãng phí tài nguyên. Kết quả mô phỏng cho thấy RE-SCE vượt trội so với các thuật toán cạnh tranh, đạt được tỷ lệ chấp nhận yêu cầu cao, tiêu thụ năng lượng thấp và sử dụng tài nguyên hiệu quả.

3.1. Nguyên lý Hoạt động của RE SCE

Thuật toán RE-SCE hoạt động dựa trên nguyên lý lựa chọn vị trí triển khai tối ưu cho các VNF trong chuỗi dịch vụ. Nó phân tích các yêu cầu tài nguyên của từng VNF, đánh giá tình trạng các nút edge và cloud hiện tại, rồi quyết định triển khai chúng ở vị trí nào để tối ưu hóa tài nguyên và năng lượng. Thuật toán này xem xét các ràng buộc như QoS, độ trễ mạng, khả năng tiếp cận của tài nguyên.

3.2. Ưu điểm so với các Thuật toán khác

RE-SCE vượt trội hơn các thuật toán gần đây về tối ưu hóa tài nguyên tiêu thụ và tiết kiệm năng lượng. Nó có độ phức tạp tính toán thấp, cho phép xử lý kịp thời các yêu cầu mới. Thuật toán RE-SCE cũng xử lý được các vấn đề về phân phối tài nguyên động, rất phù hợp với hệ thống IoT thực tế có tài nguyên biến đổi.

IV. Kết quả Mô phỏng và Đánh giá Hiệu suất Thuật toán RE SCE

Các kết quả mô phỏng thuật toán RE-SCE được thực hiện theo kịch bản thực tế, với các yêu cầu khởi tạo và hủy bỏ ứng dụng xảy ra ngẫu nhiên trong miền thời gian. Đánh giá hiệu suất được tiến hành dựa trên nhiều tiêu chí quan trọng như tỷ lệ chấp nhận yêu cầu (acceptance rate), năng lượng tiêu thụ trung bình, tài nguyên tiêu thụ trung bình và độ phức tạp tính toán. Các kết quả so sánh giữa RE-SCE và các thuật toán cạnh tranh khác cho thấy rõ ràng sự vượt trội của RE-SCE trong việc tối ưu hóa tài nguyên và năng lượng. Thông qua các kết quả này, có thể khẳng định rằng thuật toán RE-SCE là một giải pháp hiệu quả và thực tiễn cho bài toán quản lý tài nguyên IoT trên nền tảng edge-cloud computing.

4.1. Các Tiêu chí Đánh giá Chính

Tỷ lệ chấp nhận yêu cầu đo lường số lượng yêu cầu dịch vụ được chấp nhận thành công. Năng lượng tiêu thụ trung bình đánh giá hiệu quả năng lượng của hệ thống. Tài nguyên tiêu thụ trung bình cho biết hệ thống sử dụng bao nhiêu tài nguyên trên mỗi yêu cầu. Độ phức tạp tính toán xác định thời gian xử lý của thuật toán, rất quan trọng cho các ứng dụng thời gian thực.

4.2. Kết quả So sánh và Ứng dụng Thực tế

RE-SCE đạt tỷ lệ chấp nhận yêu cầu cao hơn so với các thuật toán khác, đồng thời tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể. Nó cũng quản lý tài nguyên hiệu quả hơn mà không ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. Những kết quả này chứng minh khả năng áp dụng của RE-SCE trong các hệ thống IoT thực tế, giúp giảm chi phí vận hành và tăng độ bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TOÁN BIÊN – MÂY VÀ CÁC CÔNG NGHỆ MẠNG THẾ HỆ MỚI Chương đầu tiên sẽ giới thiệu về hai mô hình điện toán đang được sử dụng rộng rãi hiện nay là điện toán đám mây và điện toán biên, từ đó giới thiệu đến mô hình điện toán kết hợp thu hút được nhiều sự chú ý trong thời gian gần đây là điện toán biên – mây. Ngoài ra, hai công nghệ mạng thế hệ mới là Mạng định nghĩa bằng phần mềm (Software-Defined Networking – SDN) và Ảo hóa chức năng mạng (Network Function Virtualization – NFV) cũng được giới thiệu chi tiết.1 Khái niệm điện toán đám mây Điện toán đám mây (cloud computing), có thể hiểu một cách đơn giản là: các nguồn điện toán khổng lồ như phần mềm, lưu trữ, sức mạnh tính toán, v. sẽ nằm tại các máy chủ ảo (đám mây) trên Internet thay vì trong máy tính gia đình và văn phòng (trên mặt đất) để mọi người kết nối và sử dụng mỗi khi họ cần.

Với các dịch vụ sẵn có trên Internet, doanh nghiệp không phải mua và duy trì hàng trăm, thậm chí hàng nghìn máy tính cũng như phần mềm. Người sử dụng chỉ cần chuyên tâm phát triển các dịch vụ của họ bởi đã có người khác lo cơ sở hạ tầng và công nghệ. Ở mô hình điện toán đám mây, mọi khả năng liên quan đến công nghệ thông tin đều được cung cấp dưới dạng các ''dịch vụ'', cho phép người sử dụng truy cập các dịch vụ công nghệ từ một nhà cung cấp nào đó ''trong đám mây'' mà không cần phải có các kiến thức, kinh nghiệm về công nghệ đó, cũng như không cần quan tâm đến các cơ sở hạ tầng phục vụ công nghệ đó. Theo Montazerolghaem '' Điện toán đám mây là hình mẫu trong đó thông tin được lưu trữ thường trực tại các máy chủ trên Internet và chỉ được lưu trữ tạm thời ỏ các máy khách, bao gồm máy tính cá nhân, máy tính trong doanh nghiệp, các phương tiện máy tính cầm tay,v.

Trong mô hình này, phần mềm và lưu trữ không tồn tại trên cùng một máy tính cá nhân, nhưng trên một máy chủ lớn tập trung, hoặc các máy chủ - những ''đám mây'' - nơi họ có thể truy cập khi cần thiết với một trình duyệt kết nối với Internet.Tính linh hoạt của điện toán đám mây là khả năng phân phối tài nguyên theo yêu cầu. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các tài nguyên của hệ thống, ta không cần thiết phải chỉ định phần cứng cụ thể nào cho một nhiệm vụ. Trước điện toán đám mây, các trang web và các ứng dụng dựa trên máy chủ đã được thi hành trên một hệ thống cụ thể. Với sự ra đời của điện tóa đám mây, các tài nguyên này cung cấp một môi trường ở đó các ứng dụng thực hiện một cách độc lập mà không quan tâm đến bất kỳ cấu hình cụ thể nào.1 Các mô hình điện toán đám mây 1.

Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ (IaaS): Tầng đáy của đám mây là tầng các dịch vụ cơ sở hạ tầng. Ở đây, một tập hợp các tài sản vật lý như các máy chủ, các thiết bị mạng và các đĩa lưu trữ được đưa ra như là các dịch vụ được cung cấp cho người tiêu dùng. Cũng như với các dịch vụ nền tảng, sự ảo hóa là một phương pháp thường được sử dụng để tạo ra chế độ 1 phân phối các nguồn tài nguyên theo yêu cầu. Ví dụ về các dịch vụ cơ sở hạ tầng bao gồm IBM Bluehouse, VMware, Amazon EC2, Microsoft Azure Platform, Sun ParaScale Cloud Storage,v.

Nền tảng như một dịch vụ (PaaS): Đây là tầng ở đó cơ sở hạ tầng ứng dụng nổi lên như là một tập hợp các dịch vụ. Dịch vụ này nhưng không bị hạn chế tầng giữa như là một dịch vụ, truyền thông như là một dịch vụ, tích hợp như là một dịch vụ, thông tin như là dịch vụ, kết nối như một dịch vụ, v. Các dịch vụ ở đây được dùng để hỗ trợ cho các ứng dụng. Các ứng dụng này có thể đang chạy trong đám mây và chúng có thể đang chạy trong một trung tâm dữ liệu doanh nghiệp truyền thống hơn.

Để đạt được khả năng mở rộng cần thiết trong một đám mây, các dịch vụ khác nhau được đưa ra ở đây thường được ảo hóa. Các ví dụ về các đề nghị trong phần này của đám mây bao gồm các ảnh ảo của IBM WebSphere Application Server virtual images, Amazon Web Services, Boomi, Cast Iron và Google App Engine. Các dịch vụ nền tảng này cho phép người tiêu dùng chắc chắn rằng các ứng dụng của họ được trang bị để đáp ứng các nhu cầu của người dùng bằng cách cung cấp cơ sở hạ tầng ứng dụng dựa theo yêu cầu. Ứng dụng như một dịch vụ (SaaS): Tầng các dịch vụ ứng dụng này lưu trữ các ứng dụng phù hợp với mô hình SaaS.

Đây là những ứng dụng chạy trong một đám mây và được cung cấp theo yêu cầu về các dịch vụ cho người dùng. Đôi khi các dịch vụ này được cung cấp miễn phí và các nhà cung cấp dịch vụ tạo ra doanh thu từ những thứ khác như quảng cáo Web và nhiều khi các nhà cung cấp ứng dụng tạo ra doanh thu trực tiếp từ việc sử dụng dịch vụ. Có hàng ngàn ứng dụng SaaS và số lượng phát triển hàng ngày nhờ các công nghệ Web 2. Trong cả hai trường hợp, các ứng dụng được cung cấp qua mô hình SaaS làm lợi cho người tiêu dùng bằng cách giải phóng cho họ khỏi việc cài đặt và bảo trì phần mềm và các ứng dụng có thể được sử dụng thông qua các mô cấp phép có thể hỗ trợ trả tiền để sử dụng các khái niệm.2 Ưu nhược điểm của điện toán đám mây 1.1 Ưu điểm của điện toán đám mây Tính tự phục vụ theo yêu cầu: Đặc tính kỹ thuật của điện toán đám mây cho phép khách hàng đơn phương thiết lập yêu cầu nguồn lực nhằm đáp ứng yêu cầu của hệ thống như: Thời gian sử dụng Server, dung lượng lưu trữ, cũng như là khả năng đáp ứng các tương tác lớn của hệ thống ra bên ngoài.

Truy cập diện rộng: Điện toán đám mây cung cấp các dịch vụ chạy trên môi trường Internet do vậy khách hàng chỉ cần kết nối được với Internet là có thể sử dụng được dịch vụ. Các thiết bị truy xuất thông tin yêu cầu hình cao (thin or thick client platforms) như: Mobile phone, Laptop và PDAs. Dùng chung tài nguyên và độc lập vị trí: Tài nguyên của nhà cung cấp dịch vụ được dùng chung, phục vụ cho nhiều người dùng dựa trên mô hình ''multi- tenant''. Mô hình này cho phép tài nguyên phần cúng và tài nguyên ảo hóa sẽ 2 được cấp pháp động dựa vào nhu cầu của người dùng.

Khi nhu cầu người dùng giảm xuống hoặc tăng lên thì tài nguyên sẽ được trưng dụng để phục vụ yêu cầu. Người sử dụng không cần quan tâm tới việc điều khiển hoặc không cần phải biết chính xác vị trí của các tài nguyên sẽ được cung cấp. Ví dụ: Tài nguyên sẽ được cung cấp bao gồm: tài nguyên lưu trữ, xử lý, bộ nhớ, băng thông mạng và máy ảo. Khả năng co giãn nhanh chóng: Khả năng này cho phép tự động mở rộng hoặc thu nhỏ hệ thống tùy theo nhu cầu của người sử dụng một cách nhanh chóng.

Khi nhu cầu tăng, hệ thống sẽ tự động mở rộng bằng cách thêm tài nguyên vào. Khi nhu cầu giảm, hệ thống sẽ tự động giảm bớt tài nguyên. Khả năng co giãn giúp cho nhà cung cấp sử dụng tài nguyên hiệu quả, tận dụng triệt để tài nguyên dư thừa phục vụ được nhiều khách hàng. Đối với người sử dụng dịch vụ, khả năng co giãn giúp họ giảm chi phí do họ chỉ trả phí cho những tài nguyên thực sụ dùng.

Chi trả theo thực dùng: Nhiều dịch vụ điện toán đám mây sử dụng mô hình điện toán theo nhu cầu, mô hình tương tự với tư cách tiện ích theo nhu cầu truyền thống như điện được tiêu thụ, trong khi một số khác tiếp thị dựa vào tiền đóng trước. Điện toán đám mây cho phép giới hạn dung lượng lưu trữ, băng thông, tài nguyên máy tính và số lượng người dùng kích hoạt theo tháng.2 Nhược điểm của điện toán đám mây Các điểm hạn chế của điện toán đám mây đối với các mô hình IoT hiện nay là: Độ trễ lớn: Một trong những nhược điểm lớn nhất khi phụ thuộc hoàn toàn vào điện toán đám mây để xây dựng nên các hệ thống IoT là độ trễ lớn. Điều này xảy ra do các trung tâm dữ liệu DC thường được đặt xa các hệ thống IoT để đảm bảo tính truy cập lớn cho nhiều yêu cầu khác nhau. Khoảng cách về địa lý khiến cho việc truyền nhận dữ liệu qua lại giữa hệ thống thu thập dữ liệu (cảm biến, camera,v.) đến nơi lưu trữ và xử lý tập trung là DC cần một khoảng thời gian có thể tính đến hàng trăm mili giây.

Trong khi đó các hệ thống IoT tiên tiến ví dụ như trong y tế và quốc phòng lại cần độ trễ cực thấp. Điều này đặt ra một bài toán nan giải cho các hệ thống IoT nếu chỉ sử dụng mô hình điện toán đám mây truyền thống. Áp lực lớn lên đường truyền core: Các đường truyền tải ưu tiên thường được dùng cho các hệ thống đám mây để đảm bảo hệ thống có thể đáp ứng được một lượng khổng lồ truy/xuất từ người dùng. Tuy nhiên, với bản chất là một hệ thống tính toán tập trung, cộng thêm với một lượng dữ liệu thô khổng lồ mà các hệ thống IoT tạo ra trong mỗi giây được đẩy thẳng lên đường truyền này sẽ khiến cho việc ách tắc, mất gói tin, thậm chí là từ chối truy cập là điều không tránh khỏi.

Với việc gia tăng các hệ thống IoT như hiện nay, ước tính đến năm 2020 sẽ có 50 tỷ thiết bị IOT thì việc các đường truyền mạng đến trung tâm dữ liệu sẽ gặp một áp lực rất lớn. 3 Phụ thuộc vào nhà cung cấp dịch vụ: Hiện nay có rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ đám mây, thậm chí ở trong nước thì tập đoàn Viettel hay FPT cũng đã và đang xây dựng, cung cấp các dịch vụ điện toán của họ đến với người tiêu dùng. Tuy nhiên hầu hết các hệ thống IoT, các ứng dụng mang tính toàn cầu hiện nay đều sử dụng các dịch vụ đám mây từ các tập đoàn công nghệ lớn như Google, AWS, Microsoft.