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
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
.......................................................................................................................................... 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 th
ầy
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, hướ
ng 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 rấ
t 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
nhất hiện nay là peer to peer computing hay Grid computing.
Đây là phương pháp nhằm tận dụng khả năng củ
a 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 gi
ải quyết các vấn đề tìm đường đi khi số đỉnh tương đối lớn…
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 thu
ật 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
3.4.9. 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............................................................................ 114
5.2. Dijkstra.................................................................................................. 115
5.2.1. Tuần tự............................................................................................115
Hình 2-2 : Kiến trúc SISD ................................................................................ 19
Hình 2-3 : Kiến trúc SIMD ............................................................................... 20
Hình 2-4 : Kiến trúc MISD ............................................................................... 22
Hình 2-5 : Kiến trúc MIMD.............................................................................. 23
Hình 2-6 : Mô hình chía sẽ không gian bộ nhớ ................................................ 27
Hình 2-7 : Mô hình truyền thông điệp .............................................................. 28
Hình 3-1 : Mô hình NetSolve............................................................................ 56
Hình 3-2 : Các thành phần của Globus............................................................. 59
Hình 4-1 : Các tiến trình tạo lập trên mô hình lập trình MPI ........................... 86
Hình 4-2 : Cách thức truyền thông của các process.......................................... 87
Hình 4-3 : Blocking và non-blocking ............................................................... 88
Hình 4-4 : Group, communicator và rank......................................................... 88
Hình 4-5 : Cấu trúc của chương trình MPI ....................................................... 89
Hình 4-6 : Giao tiếp blocking ........................................................................... 92
Hình 4-7 : Thứ tự các xử lý............................................................................... 95
Hình 4-8 : Cách thức xử lý tiến trình................................................................ 95
Hình 4-9 : Giao tiếp non-blocking.................................................................... 96
Hình 4-10 : Broadcast dữ liệu......................................................................... 102
Hình 4-11 : Ví dụ hàm Scatter ........................................................................ 103
Hình 4-12 : Hàm MPI_Gather ........................................................................ 103
Hình 4-13 : Hàm MPI_Allgather .................................................................... 104
Hình 4-14 : Hàm MPI_Alltoall....................................................................... 104
Hình 4-15 : Hàm MPI_Reduce ....................................................................... 105
Hình 4-16 : Sử dụng 8 xử lý để tính giá trị tuyệt đối...................................... 107
Hình 4-17 Hàm Mpi-Allreduce....................................................................... 108
Hình 4-18 : Hàm MPI_Reduce_scatter........................................................... 108
Hình 4-19 : Hàm MPI_Scan ........................................................................... 109
Hình 4-20 : MPI_Type_contiguous ................................................................ 110
Trong những năm đầu thập niên 90, nhiều nhóm nghiên cứu đã bắt đầu
khai thác các nguồn tài nguyên tính toán phân tán trên Internet. Các nhà khoa
học đã tập trung và sử dụng hàng trăm các máy trạm để thực hiện các chương
trình song song như thiết kế phân tử và hiển thị đồ họa máy tính. Trong khi đó
các nhóm nghiên cứu khác đã kết hợp các siêu máy tính lớn lại với nhau thành
một siêu máy tính ảo duy nhất, rồi phân phối các phần của một ứng dụng r
ất
lớn cho các máy tính trên một mạng diện rộng, ví dụ như máy tính giả lập các
ứng dụng tương tác giữa chất lỏng và cánh quạt của chân vịt tàu…Thêm vào đó
phạm vi của các dự án nghiên cứu này đã nêu ra tiềm năng thực sự của mạng
máy tính, cùng với cơ sở phần mềm và tin học để phát triển nó xa hơn.
Hệ thống đa bộ xử lý (Multiprocessor Systems - MPs), Cluster, Grids là
các ví dụ của kiế
n trúc tính toán phân tán. Trong MPs, các bộ xử lý được kết
hơp chặt chẽ với nhau, thông qua bộ nhớ chia sẽ chung và đường truyền kết nối
rất cao. Ví dụ như là PVPs (Parallel Vector Processors), chúng hầu như rất
thích hợp cho tính toán hiệu năng cao, như là các ứng dụng song song dựa vào
trao đổi thông điệp tốc độ cao giữa các tiến trình song song.
Trang 14
Trong khi đó Cluster lại là các máy tính đơn hay đa bộ xử lý được kết
hợp tương đối với nhau thông qua đường mạng, vì thế nó chậm hơn từ 1 đến 2
Trang 15
Hình 1-1 : 3 tầng của Grid
Grid là một cơ sở hạ tầng về phần cứng lẫn phần mềm cung cấp truy cập
phụ thuộc, thích hợp, rộng khắp và chi phí thấp vào các khả năng tính toán.
Trong một tương lai không xa, những grid này sẽ được các kỹ sư, nhà khoa
học, khoa học thực nghiệm, công ty, tổ chức, môi trường, giáo dục và đào tạo,
khách hàng, … sử dụng rộng rãi. Chúng sẽ được dành riêng cho tính toán theo
yêu cầu, tính toán trên thông tin nhạy cảm, tính toán cộng tác, và siêu tính toán,
dựa trên cơ sở của khách hàng/nhà cung cấp.
Ngày nay chúng ta đang thấy những nỗ lực đầu tiên nhằm khai thác một
cách có hệ thống các nguồn tài nguyên tính toán lưới trên mạng Internet.
Những dự án này được gọi là peer-to-peer computing, như SETI@home,
Distributed.Net và Folderol, cho phép người dùng Internet tải về các dữ liệu
khoa học, chạy trên các máy cá nhân theo chu trình xử lý chia sẽ, và gửi lại kết
quả cho cơ sở dữ liệu trung tâm. Gần đây có một dự án ở một trường
đại học,
được gọi là Compute Power Market, được xây dựng nên nhằm phát triển các kỹ
thuật phần mềm cho phép tạo lập những Grid, mà ở đó bất cứ ai cũng có thể
mua hay bán khả năng khả năng tính toán giống như cách mà người ta sử dụng
điện hiện nay.
• Thiết kế các nghi thức mạng cho việc trao đổi và định dạng thông
điệp.
Trang 17
Chương 2. Tính toán song song và phân bố
2.1. Khái niệm
Ngày nay trong khi công nghệ ngày một phát triển thì nhu cầu về tốc độ
tính toán của các hệ thống máy tính cũng ngày một tăng cao. Các lĩnh vực đòi
hỏi tính tóan hiệu năng cao như là mô hình số và giả lập các vấn đề của khoa
học và công nghệ.
Ngoài ra nó còn nhằm giải quyết các lọai vấn đề cần tốc độ xử lý cao
như:
2.2. Nền tảng tính toán song song và phân bố
Trong phần này chúng ta sẽ xem xét cách tổ chức logic và vật lý của các
nền tảng song song và phân tán. Cách tổ chức logic liên quan đến quan điểm
của người lập trình (kiến trúc xử lý song song và phân bố) trong khi cách tổ
chức vật lý liên quan đến cách cơ cấu thực sự của các phần cứng bên dưới.
Trong tính toán song song thì từ quan điểm của người lập trình gồm 2 thành
phần chính quan trọng đó là cách thức thể hiện các tác vụ song song (cấu trúc
điề
u khiển) và những phương pháp xác định tương tác giữa các tác vụ này (mô
hình giao tiếp).
2.2.1. Kiến trúc xử lý song song và phân bố
Máy tính song song có thể được chia theo 2 lọai chính là : dòng điều
khiển (control flow) và dòng dữ liệu (data flow). Máy tính song song dòng điều
khiển dựa chủ yếu theo các nguyên tắc của máy tính Von Neumann, ngọai trừ
nhiều dòng điều khiển có thể thực hiện vào bất cứ thời gian nào. Máy tính song
song dòng dữ liệu , đôi khi được biết đến là “phi Von Neumann”, thì hoàn toàn
khác biệt ở chỗ nó không có con trỏ trỏ tới các chỉ thị hiện hành hay trung tâm
điều khiển. Ở đ
ây chúng ta chỉ tập trung vào các máy tính song song dòng điều
khiển.
Năm 1966, M.J.Flynn đã phân chia các hệ thống máy tính dựa trên dòng
chỉ thị và dòng điều khiển thành 4 loại sau:
• SISD (Single Instruction stream, a Single Data stream)
• SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data streams)
• MISD (Multiple Instruction streams, a Single Data stream)
• MIMD (Multiple Instruction streams, Multiple Data streams)
Phân theo mức độ hay được sử dụng:
Hình 2-1 : Phân lọai hệ thống máy tính theo Flynn-Johnson
2.2.1.1. SISD
Hình 2-2 : Kiến trúc SISD
Kiến trúc này tương tự với kiến trúc Von Neumann. Một đơn vị điều
khiển tiếp nhận một chỉ thị đơn từ bộ nhớ, sau đó đưa vào cho bộ xử lý thực thi
trên một đơn vị dữ liệu được chỉ ra trong chỉ thị nhận được, và cuối cùng là đưa
kết quả nhận được vào bộ nhớ.
2.2.1.2. SIMD
Hầu hết các máy tính song song ban đầu đều được thiết kế theo kiến trúc
SIMD. Trong kiến trúc này, một đơn vị xử lý trung tâm sẽ thông dịch và quảng
bá các tín hiệu điều khiển thích hợp cho các bộ xử lý theo chiều kim đồng hồ.
Từng bộ xử lý sẽ thực thi các chỉ thị một cách đồng thời, và chúng cũng có
quyền không tiếp nhận trên các chỉ thị nào đó. Sự phổ biến của kiến trúc SIMD
là do tính năng của các ứng dụng song song ban đầu và từ yêu cầu của nền kinh
Trang 20
tế. Theo quan điểm của người dùng thì các ứng dụng sử dụng kiến trúc SIMD
thì dễ dàng được lập trình hơn và tận dụng hiệu quả hơn các thiết bị phần cứng.
.
Một máy
SIMD có thể được thiết kế dựa trên những thành phần thống nhất
hay là từ những con chip tùy chọn. Trong cách tiếp cận thứ nhất thì
các thành phần có xu hướng rẻ hơn do sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên
những thành phần mang mục đích chung như vậy có thể chứa các
yếu tố không cần thiết cho một thiết kế cụ thể nào đó. Những thành
phần thêm vào có thể làm phức tạp vi
ệc thiết kế, sản xuất và kiểm
thử các máy SIMD và cũng có thể đem lại khiếm khuyết về tốc độ
xử lý. Còn các thành phần tùy chọn thì nhìn chung hỗ trợ tốt hơn cho
thực thi tuy nhiên nó cũng dẫn đến chi phí cao hơn cho việc phát
triển. Khi việc tích hợp nhiều bộ xử lý cùng với bộ nhớ dư dật trên
một con chip VLSI đơn trở nên khả thi, thì việc kết hợp ưu
điểm của
2 cách tiếp cận trên là hoàn toàn có thể.
2.2.1.3. MISD
Mô hình này hầu như không thấy nhiều trong các ứng dụng. Một trong
những lý do là bởi vì hầu hết các ứng dụng không thế áp dụng một cách dễ
dàng vào kiến trúc MISD, điều này dẫn đến việc thiết kế ra một kiến trúc để
thỏa mãn cho một mục đích chung là điều không thể. Tuy nhiên có thể áp dụng
các bộ xử lý song song kiểu MISD vào trong một ứng dụng cụ thể nào đó.
Trang 23
chuyển cao trong việc khai thác nhiều dạng thức song song khác nhau, dễ phân
chia nhỏ hơn cho các bộ xử lý độc lập trong môi trường đa người dùng (tính
chất này là ngụ ý quan trọng cho tính dung lỗi), ít khó khăn trong việc mở rộng
(scalability). Nhưng bên cạnh đó kiến trúc này cũng có khuyết điểm là sự quá
tải do giao tiếp giữa các bộ xử lý và việc lập trình gặp nhiều khó khăn.
Hình 2-5 : Kiến trúc MIMD
Bên trong kiến trúc MIMD, tồn tại 3 loại vấn đề cơ bản hay còn được
gọi là cách lựa chọn thiết kế hiện vẫn là chủ đề đang được tranh cãi trong cộng
đồng các nhà nghiên cứu.
1.
MPP –
massively or moderately parallel processor.
Việc xây
dựng một bộ xử lý song song từ một số lượng nhỏ các bộ xử lý
cách tiếp cận trung gian là kết hợp các cluster những bộ xử lý thông
qua môi trường mạng. Điều này về cơ bản là một phương pháp phân
nhánh, đặc biệt thích hợp khi có một sự truy cập rất lớn đến dữ liệu
cụ
c bộ.
3.
Truyền thông điệp tường minh hay chia sẽ bộ nhớ ảo.
Lọai nào
sẽ tốt hơn, cho phép người dùng chỉ ra tất cả các loại thông điệp sẽ
được truyền giữa các bộ xử lý hay là cho phép họ lập trình ở một cấp
độ trừu tượng cao hơn, cùng với các thông điệp cần thiết tự động
được phát sinh bởi hệ thống phần mềm? Câu hỏi này về cơ bản là
tương tự với câu được hỏi trong những ngày
đầu của những ngôn
Trang 25
ngữ lập trình cấp cao và bộ nhớ ảo. Tại một vài thời điểm trong quá
khứ, việc lập trình bằng hợp ngữ và thực hiện trao đổi giữa bộ nhớ
chính và bộ nhớ phụ có thể đem lại hiệu quả cao hơn. Tuy nhiên, do
ngày nay các phầm mềm đã đạt đến mức quá phức tạp, các trình biên
dịch cùng với hệ điều hành cũng đã quá cấp cao
nhớ, tuy nhiên nhiều thao tác đọc chỉ thực hiện theo tuần tự.
Copyright: Tài liệu đại học ©