Truyền bá thông tin phân tán giữa các tác tử di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ TRỌNG HÙNG

TRUYỀN BÁ THÔNG TIN PHÂN TÁN
GIỮA CÁC TÁC TỬ DI ĐỘNG

Ngành:
Công nghệ Thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số:
60 48 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐẠI THỌ

Hà Nội, 2008


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................ Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN .................................................................. Error! Bookmark not defined.
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 2
BẢNG THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ........... Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC HÌNH VẼ, GIẢI THUẬT ........................ Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU ........................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 1. HỆ PHÂN TÁN ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.1. Khái niệm hệ phân tán ........................................ Error! Bookmark not defined.

1.2. Vai trò hệ phân tán .............................................. Error! Bookmark not defined.
1.3. Đặc trưng hệ phân tán ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.4. Mô hình truyền thông báo ................................... Error! Bookmark not defined.
1.5. Công nghệ tác tử di động .................................... Error! Bookmark not defined.
1.5.1. Sự tiến hóa .................................................... Error! Bookmark not defined.
1.5.2. Các đặc tính của tác tử di động .................... Error! Bookmark not defined.
1.5.3. Ứng dụng của tác tử di động ........................ Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2. BẦU THỦ LĨNH TRÊN MẠNG ĐẦY ĐỦ .......... Error! Bookmark not
defined.
2.1. Giới thiệu bài toán .............................................. Error! Bookmark not defined.
2.2. Mô hình tính toán phân tán ................................. Error! Bookmark not defined.
2.3. Giải thuật bầu thủ lĩnh Villadangos .................... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CÂY KHUNG TỐI THIỂU ............ Error! Bookmark not
defined.
3.1. Bài toán cây khung tối thiểu ............................... Error! Bookmark not defined.
3.2. Giải thuật GHS83................................................ Error! Bookmark not defined.
3.3. Giải thuật SB95 ................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 4. TRUYỀN BÁ THÔNG TIN PHÂN TÁN ............ Error! Bookmark not
defined.
GIỮA CÁC TÁC TỬ DI ĐỘNG .................................... Error! Bookmark not defined.
4.1. Bài toán MAGP – Mobile Agent Gossip Problem ........... Error! Bookmark not
defined.
4.2. Một số khái niệm ................................................ Error! Bookmark not defined.
4.3. Mối quan hệ giữa MAGP và NLEP .................... Error! Bookmark not defined.
4.3.1. Hệ thống truyền thông báo ........................... Error! Bookmark not defined.
4.3.2. Mô phỏng một giải thuật truyền thông báo .. Error! Bookmark not defined.
4.4. Giải thuật hẹn gặp (Rendezvous Algorithm) ...... Error! Bookmark not defined.


4.5. Các giải thuật cho MAGP ................................... Error! Bookmark not defined.

4.5.1. Mạng bất kỳ.................................................. Error! Bookmark not defined.
4.5.2. Mạng đầy đủ không cảm hướng................... Error! Bookmark not defined.
4.5.3. Mạng đầy đủ cảm hướng .............................. Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 5. GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT CHO MAGP TRÊN MẠNG ĐẦY ĐỦ
........................................................................................... Error! Bookmark not defined.
5.1. Phát biểu bài toán ................................................ Error! Bookmark not defined.
5.2. Ý tưởng, cấu trúc dữ liệu .................................... Error! Bookmark not defined.
5.3. Giải thuật............................................................. Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 6. GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT CHO MAGP TRÊN MẠNG BẤT KỲ
........................................................................................... Error! Bookmark not defined.
6.1. Phát biểu bài toán ................................................ Error! Bookmark not defined.
6.2. Ý tưởng, cấu trúc dữ liệu .................................... Error! Bookmark not defined.
6.3. Giải thuật............................................................. Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................... Error! Bookmark not defined.

GIỚI THIỆU


Mạng viễn thông phát triển mạnh  truyền bá thông tin là nhu cầu thiết yếu,
là nền tảng để phát triển các dịch vụ khác.



Bài toán gossip là bài toán truyền bá thông tin phân tán giữa các nút, được
nghiên cứu từ năm 1954 và đã có nhiều kết quả nghiên cứu về bài toán này.



Truyền bá thông tin phân tán giữa các tác tử di động (MAGP) là hướng

nghiên cứu mới, được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.



Rendezvous là cách tiếp cận đầu tiên nhưng kém hiệu quả.



Suzuki và đồng sự [SAK07, SAK08] đưa ra cách giải quyết tốt hơn cho bài
toán MAGP. Tuy nhiên, các giải thuật tác giả đưa ra mới ở mức ý tưởng.



Phát triển các giải thuật đề xuất cho MAGP hiệu quả hơn.

[SAK07]. Suzuki & đồng sự, Optimal Moves for Gossiping Among Mobile Agents, Theoretical
Computer Science, 2007; [SAK08]. Suzuki & đồng sự, Move-optimal Gossiping Among Mobile1
Agents, Theoretical Computer Science, 2008.


MÔ HÌNH HỆ TÁC TỬ DI ĐỘNG


Mạng G = (V, E)



Có k tác tử được khởi tạo tại các vị trí
khác nhau trong mạng.



Nút vi có một whiteboard, tác tử pk trên vi
có thể write, read, delete thông tin trên đó.



pk di chuyển được từ vi sang vj chỉ nếu (vi,
vj)  E



Độ PT di chuyển: tổng số bước di chuyển
của tất cả các tác tử.



Độ PT thời gian: khoảng thời gian kể từ
lúc bắt đầu đến khi kết thúc giải thuật.

whiteboard

v1

v0
p1

p0
v2

v3

v5

p2

home

v4

pk

vi

vj
4

BÀI TOÁN MAGP


Giả thiết:



Mạng G = (V, E)



Cho k tác tử ở các vị trí khác nhau
trong mạng.



Mỗi tác tử có một thông tin riêng.



Yêu cầu: Tại cấu hình kết thúc, mỗi
tác tử đều có thông tin riêng của tất
cả các tác tử còn lại.

whiteboard

v1

v0

p1

p0
v2

v3
home

p2

v4

v5

5


Quan hệ giữa MAGP và NLEP


Suzuki và đồng sự đã chứng minh:



Định lý 4.3-1: Bài toán NLEP (Node Leader Election Problem) có
thể giải quyết được bởi bất cứ giải thuật MAGP nào trong hệ tác tử
di động.



Định lý 4.3-2: Bài toán MAGP có thể được giải quyết bằng cách
dùng giải thuật NLEP.



MAGP và NLEP có thể quy về nhau, như vậy có thể giải quyết
MAGP dựa trên ý tưởng của NLEP tương ứng.

6

Giải thuật cho bài toán MAGP


Phương pháp hẹn gặp
(Rendezvous). Các tác tử di chuyển
đến điểm hẹn gặp và chia sẻ thông
tin với các tác tử khác. Độ PT di
chuyển: (kN).



Phương pháp này kém hiệu quả.



Phương pháp của Suzuki và đồng sự:
Bầu ra một tác tử làm thủ lĩnh, tác tử này
duyệt mạng để truyền bá thông tin cho
các tác tử khác.



Đợt bầu chọn dựa vào ý tưởng giải thuật
NLEP.

v3

v0

1

1

v3

v0

3

3
2
v2

v1

v1
2

4

v4

v2

4
v4

7


Giải thuật cho bài toán MAGP...
Bài toán MAGP

Giải thuật của Suzuki và đồng sự

Giải thuật đề xuất

Mạng bất kỳ, cải biến từ GHS83.
Độ PT thời gian: O(N log k + |E|).

Mạng bất kỳ, cải biến từ SB95. Độ
PT thời gian: O(N + |E|).

Mạng đầy đủ, không cảm hướng, mỗi nút
biết mọi nút khác trong mạng. Độ PT di
chuyển: 4N log k + 4 N + 4

Mạng đầy đủ, vòng ảo
nối tất cả các nút trong mạng, mỗi
nút chỉ cần biết nút kế tiếp trên vòng
ảo. Độ PT di chuyển: N + 7k

Mạng đầy đủ, cảm hướng,
mỗi nút biết mọi nút khác trong mạng. Độ PT
di chuyển: 4N + 8k
GHS83: Giải thuật xây dựng MST(Minimum Spanning Tree) của Gallager và đồng sự
SB95: Giải thuật xây dựng MST của Singh và Bernstein

8

Giải thuật cho MAGP trên mạng bất kỳ


Ý tưởng: Mỗi tác tử duyệt DFS mạng để xây dựng cây khung của nó, các nút
được thu nạp vào cây khung theo luật đến trước thu nạp trước.

1.

Đợt bầu chọn tác tử thủ lĩnh là cải biến từ giải thuật xây dựng cây khung tối thiểu
phân tán GHS83:


Mỗi euv gắn trọng số (min{id(u), id(v)}, max{id(u), id(v)}).



Mỗi tác tử chủ sẽ tìm kiếm MOL trên cây khung của nó (dựa vào số hiệu
mức), và tiến hành sát nhập với các cây khung khác qua liên kết MOL này,
một tác tử được chọn làm chủ cây khung mới.



Cuối cùng, chỉ còn một cây khung duy nhất còn tồn tại, tác tử làm chủ cây
khung này là tác tử thủ lĩnh.

2.

Tác tử thủ lĩnh sẽ duyệt DFS trên cây khung của nó để truyền bá thông tin.



Độ PT: Giải thuật có độ PT di chuyển và thời gian là O(N log k + |E|).
9

Giải thuật GHS83


Bài toán: Đồ thị G = (V, E). Mỗi cạnh có w(e) phân
biệt. Tìm cây khung T = (V, E) sao cho:



w(e) nhỏ nhất.

7

v1

v2
2

5

F

eE'


Tính chất 1: Gọi e là một MOE của một mảnh F
thuộc MST thì e  MST.

e

v0

3

9
v3
8



Tính chất 2: Nếu tất cả các cạnh có trọng số phân
biệt thì MST là duy nhất.



Ý tưởng: Mỗi mảnh ban đầu là một nút đơn nhất. Các mảnh tìm kiếm MOE (dựa vào
số hiệu mức), mảnh sẽ sát nhập với các mảnh khác qua cạnh này (tính chất 1). Khi
trong mạng chỉ còn một mảnh duy nhất, mảnh này chính là cây khung MST cần tìm
(tính chất 2).

v4

4

[GHS83]. R.G. Gallager, P.A. Humblet, P.M. Spira, A distributed algorithm for minimum-10
weight spanning tree, ACM Transactions on Programming Languages and Systems, 1983.