Một phương pháp phi tập trung cho cân bằng tải trong các mạng ngang hàng có cấu trúc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ HỒNG HIÊN

MỘT PHƯƠNG PHÁP PHI TẬP TRUNG CHO
CÂN BẰNG TẢI TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG
CÓ CẤU TRÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ HỒNG HIÊN

MỘT PHƯƠNG PHÁP PHI TẬP TRUNG CHO
CÂN BẰNG TẢI TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG
CÓ CẤU TRÚC

Ngành:

Công nghệ Thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống Thông tin
Mã số:

60480104

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐẠI THỌ

Hà Nội – 2015


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Nguyễn Đại Thọ, Trường Đại học
Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, người thầy đã dành nhiều thời gian tận
tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu.
Thầy là người đinh
̣ hướng và đưa ra nhiều góp ý quý báu trong quá trình tôi thực
luâ ̣n văn .
Tôi xin chân thành cảm các thầy, cô ở khoa Công nghệ thông tin – Trường Đại
học Công nghệ - ĐHQGHN đã cung cấp cho tôi kiến thức và tạo cho tôi những điều
kiện thuận lợi trong suốt quá trình tôi học tập tại trường.
Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn về sự giúp đỡ của lãnh đạo cơ quan, đồng nghiệp đã
cung cấp tài liệu và cho tôi những lời khuyên quý báu. Tôi xin cảm ơn gia đình, người
thân, bạn bè luôn động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Học viên

Nguyễn Thị Hồng Hiên

3

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng
dẫn của TS. Nguyễn Đại Thọ.
Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất
cứ công trình nào khác.

Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Học viên

Nguyễn Thị Hồng Hiên

4


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 3
MỤC LỤC ........................................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................. 8
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 9
Chương 1. Giới thiệu tổng quan ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.1.Bài toán cân bằng tải trong mạng ngang hàng có cấu trúcError! Bookmark not defined.
1.2.Một số hướng nghiên cứu về cân bằng tải trong mạng ngang hàng có cấu trúc
hiện nay ............................................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3. Hướng tiếp cận của luận văn và kết quả đạt được ..... Error! Bookmark not defined.
1.4. Cấu trúc của luận văn ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.5. Kết luận ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
Chương 2. Các kiến thức cơ sở liên quan.......................... Error! Bookmark not defined.
2.1. Mạng ngang hàng ....................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Khái niệm mạng ngang hàng ............................... Error! Bookmark not defined.

2.1.2. Các đặc trưng của mạng ngang hàng ................... Error! Bookmark not defined.
2.1.3. Các loại mạng ngang hàng ................................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Bảng băm phân tán (DHT) ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Chord .......................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Khái niệm............................................................. Error! Bookmark not defined.
2.3.2. Không gian định danh .......................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.3.Định tuyến............................................................. Error! Bookmark not defined.
2.3.4.Truy vấn trong vòng Chord .................................. Error! Bookmark not defined.
2.3.5. Cơ chế ổn định mạng trong vòng Chord ............. Error! Bookmark not defined.
2.4. Khái niệm liên quan đến tải ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.5. Nguyên nhân gây mất cân bằng tải ............................ Error! Bookmark not defined.
2.6. Các phương pháp cân bằng tải hiện nay .................... Error! Bookmark not defined.
2.6.1.Phương pháp di chuyển server ảo một-một .......... Error! Bookmark not defined.
2.6.2.Phương pháp di chuyển server ảo một-nhiều ....... Error! Bookmark not defined.
2.6.3.Phương pháp di chuyển server ảo nhiều-nhiều..... Error! Bookmark not defined.
Chương 3. Giải pháp cân bằng tải phi tập trung mới ........ Error! Bookmark not defined.
3.1. Xây dựng Chord mới.................................................. Error! Bookmark not defined.
3.2. Chèn ........................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.3. Hoán đổi ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
5


Chương 4. Mô phỏng và đánh giá ..................................... Error! Bookmark not defined.
4.1. Bộ mô phỏng của Jonathan Ledlie ............................. Error! Bookmark not defined.
4.2. Mô tả mô phỏng của giải pháp cân bằng tải mới ....... Error! Bookmark not defined.
4.3. Kết quả ....................................................................... Error! Bookmark not defined.
4.3.1. Lượng truy vấn trên một node thay đổi ............... Error! Bookmark not defined.
4.3.2. Độ lệch trong truy vấn giữa các node thay đổi .... Error! Bookmark not defined.
Chương 5. Kết luận............................................................ Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 11

. .......................................................................................................................................... 12

6


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
PS
VS
DHT
DHTs
ID

Ý nghĩa
Physical Server
Virtual Server
Distributed Hash Table
Distributed Hash Tables
Identifier

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Phân loại hệ thống mạng ngang hàng ............ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2. Mô hình bảng băm phân tán .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3. Không gian định danh 6-bit của Chord ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4. Vòng tròn định danh Chord với 3 node [6] ... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán di chuyển server ảo nhiều-nhiều ...... Error! Bookmark not
defined.

Hình 3.1. Vòng Chord ban đầu ...................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2. Vòng Chord mới ............................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3. Ví dụ vòng Chord .......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4. Sơ đồ thuật toán của giải pháp mới ............... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.1. Mô tả quá trình hoạt động của giải pháp mới Error! Bookmark not defined.
Hình 4.2. Tỷ lệ phần trăm truy vấn thành công khi lượng tải thay đổi (truy vấn dạng
Uniform) ........................................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 4.3. Tỷ lệ phần trăm truy vấn thành công khi lượng tải thay đổi (truy vấn dạng
Zipf 0.8) ......................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.4. Tỷ lệ phần trăm truy vấn thành công khi lượng tải thay đổi (truy vấn dạng
Zipf 1.2) ......................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.5. Tỷ lệ phần trăm truy vấn thành công khi độ skew của mạng thay đổi .. Error!
Bookmark not defined.

8


LỜI MỞ ĐẦU
Lưu trữ và chia sẻ dữ liệu trên Internet luôn là mối quan tâm hàng đầu và đặt ra
rất nhiều thách thức. Khi nhu cầu chia sẻ thông tin tăng, mô hình client/server có nhiều
hạn chế về băng thông và việc xử lý dữ liệu. Trong mô hình này, các client sẽ kết nối
với một server. Tài nguyên tập trung tại server để cung cấp cho các client. Các máy
client chỉ đóng vai trò thụ động, chỉ yêu cầu dịch vụ từ server mà không cung cấp dịch
vụ cho các client khác. Khi mà số lượng client tăng nhanh, các server không thể đáp
ứng được cho các client, nó sẽ bị quá tải và mạng có thể bị sập. Khắc phục những
nhược điểm đó, mạng ngang hàng ra đời.
Mạng ngang hàng có 2 loại: không cấu trúc và có cấu trúc. Với mạng ngang
hàng không có cấu trúc, không có mối liên hệ nào giữa một máy và dữ liệu của nó.
Điều này có thể dẫn đến việc tìm kiếm không thành công do yêu cầu tìm kiếm bị
chuyển đi ngẫu nhiên đến các máy trong mạng, khi chưa đến được đích thì TTL = 0,

yêu cầu tìm kiếm sẽ bị loại bỏ. Một yêu cầu tìm kiếm có thể sẽ không nhận được kết
quả, do không có gì đảm bảo một máy nào đó có khả năng đáp ứng yêu cầu đó sẽ tồn
tại. Mặt khác, trong mạng ngang hàng không có cấu trúc, các package tìm kiểm
thường được chuyển phát tràn tới lượng lớn các máy gây ra việc tốn lượng băng thông
lớn. Với mạng ngang hàng có cấu trúc, những hạn chế đó đã được khắc phục bằng
cách sử dụng bảng băm phân tán (DHT). Nó định nghĩa liên kết giữa các node mạng
theo một thuật toán cụ thể, các node lưu trữ dữ liệu được phân bố một cách hiệu quả,
đồng thời xác định mỗi node mạng sẽ chịu trách nhiệm đối với một phần dữ liệu trong
mạng một cách chặt chẽ. Đã có nhiều cấu trúc mạng ngang hàng sử dụng DHT như
CAN, Chord, Partry… Trong đó, Chord được sử dụng nhiều hơn trong nghiên cứu về
tối ưu mạng và cân bằng tải vì Chord tổ chức không gian định danh và định tuyến một
cách đơn giản, hiệu quả.
Theo những nghiên cứu trước, mạng ngang hàng có cấu trúc hoạt động hiệu quả
khi các máy (node) và dữ liệu được phân bố trên không gian định danh đồng đều, số
truy vấn đến các dữ liệu ngang nhau, khả năng của các node giống nhau…Tuy nhiên,
thực tế các node tham gia vào mạng là ngẫu nhiên, nên các giả thiết trên sẽ không bao
giờ xảy ra. Các node là các máy tính cá nhân, không phải lúc nào các máy này cũng
tham gia vào mạng nên có thể tài nguyên của node đó sẽ biến mất trong một khoảng
thời gian nào đó. Do đó, hệ thống mạng sẽ bị mất cân bằng tải.
Hiện nay nhiều nghiên cứu về cân bằng tải đã được đề xuất theo hai hướng:
không sử dụng server ảo và có sử dụng server ảo. Trong luận văn này, tôi xin đi theo
hướng nghiên cứu về cân bằng tải sử dụng server ảo trong mạng ngang hàng có cấu
9


trúc Chord. Một số phương pháp cân bằng tải dựa trên server ảo tiêu biểu như di
chuyển server ảo, log(N) server ảo, k-choices. Với các phương pháp cân bằng tải di
chuyển server ảo, mỗi server vật lý quản lý một số server ảo. Nếu có một server vật lý
nặng tải, ta sẽ di chuyển server ảo từ server vật lý đó sang server vật lý nhẹ tải, đảm
bảo sau khi chuyển thì hai server đó cùng nhẹ tải. Ứng với việc di chuyển server ảo, ta

có ba thuật toán di chuyển: một-một, một-nhiều, nhiều-nhiều. Trong thuật toán di
chuyển server ảo một-một, server vật lý nhẹ tải sẽ chọn một định danh ID bất kỳ, và
kiểm tra xem node có ID đó là nặng tải hay nhẹ tải, nếu node là nặng tải thì bắt đầu
thực hiện chuyển server ảo. Trong thuật toán di chuyển server ảo một-nhiều, server vật
lý nhẹ tải sẽ thông báo tải của nó cho directory, còn server vật lý nặng tải sẽ lấy thông
tin về các server vật lý nhẹ tải từ directory, sau đó xác định server vật lý nhẹ tải thỏa
mãn để di chuyển server ảo. Trong thuật toán di chuyển server ảo nhiều-nhiều, global
pool được sử dụng để quản lý các server ảo, một bước trung gian để chuyển server ảo
từ node nặng tải sang node nhẹ tải. Global pool chỉ là một cấu trúc dữ liệu cục bộ được
sử dụng để tính toán cấp phát cuối cùng, sẽ không có tải nào được chuyển cho đến khi
thuật toán kết thúc. Đây chính là hạn chế của thuật toán này, phá vỡ tính phi tập trung
của mạng ngang hàng. Ngoài ra, do các node trong mạng biết được địa chỉ của global
pool, nên global pool dễ bị tấn công.
Vấn đề đặt ra ở đây là phải đưa ra phương pháp cân bằng tải khắc phục được
nhược điểm tập trung hóa của thuật toán cân bằng tải di chuyển server ảo nhiều-nhiều.
Xuất phát từ yêu cầu đặt ra, tôi xin đưa ra một giải pháp mới cân bằng tải phi tập trung
dựa trên server ảo bằng cách xây dựng thêm vòng Chord mới dựa vào độ lệch tải của
các node trên vòng Chord cũ. Kết quả mô phỏng của chúng tôi cho thấy rằng hiệu quả
của giải pháp mới gần xấp xỉ hiệu quả của thuật toán cân bằng tải nhiều-nhiều.

10


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Bùi Thị Lệ Hằng (2009), Sử dụng thông tin gần kề vị trí trong khảo duyệt web,
Luận văn thạc sĩ trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
[2] Lê Anh Tuấn (2014), Định tuyến an toàn trong cấu trúc bảng băm phân tán Chord
kép, Luận văn thạc sĩ trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
[3] Nguyễn Thị Mi (2009), Cân bằng tải trong các mạng ngang hàng có cấu trúc,

Khóa luận tốt nghiệp đại học trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
11


Tiếng Anh
[4] A. Rao, K. Lakshminarayanan, S. Surana, R. Karp, and I. Stoica. Load Balancing
in Structured P2P Systems. In Proceedings of the Second International Workshop
on Peer-to-Peer Systems (IPTPS ’03), Berkeley, CA, February 2003.
[5] J. Ledlie and M. Seltzer. Distributed, secure load balancing with skew,
heterogeneity, and churn. Technical Report TR-31-04, Harvard University, December
2004.
[6] Sonesh Surana, Brighten Godfrey, Karthik Lakshminarayanan, Richard Karp, Ion
Stoica (2004), Load Balancing in Dynamic Structured Peer-to-peer Systems.
[7] I. Stoica, R. Morris, D. Karger, M. F. Kaashoek, and H. Balakrishnan. Chord: A
scalable peer-to-peer lookup service for internet applications. In Proceedings of the
ACM SIGCOMM ’01 Conference, August 2001.

.

12