Nghiên Cứu Và Xây Dựng Mô Hình Cấp Phát Tài Nguyên Trong Điện Toán Đám Mây Dựa Trên Lý Thuyết Trò Chơi (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYẾN THỊ NGUYỆT QUẾ

NGUYỄN THỊ NGUYỆT QUẾ

HỆ THỐNG THÔNG TIN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẤP PHÁT
TÀI NGUYÊN TRONG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY
DỰA TRÊN LÝ THUYẾT TRÒ CHƠI

2015 - 2017

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HỒ
CHÍ
MINH
2017

TP.HỒ CHÍ MINH - 2017


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN THỊ NGUYỆT QUẾ

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẤP PHÁT
TÀI NGUYÊN TRONG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY
DỰA TRÊN LÝ THUYẾT TRÒ CHƠI
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN CÔNG HÙNG

TP.HỒ CHÍ MINH - 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

TP.HCM, ngày 30 tháng 5 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Thị Nguyệt Quế


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ,

ngoài những cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, giúp đỡ
quý báu của quý thầy cô, cùng với sự động viên khích lệ và ủng hộ của đồng
nghiệp, bạn bè và gia đình. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin đƣợc gửi
lời cảm ơn chân thành tới:
Ban giám hiệu và tất cả các thầy cô giáo của Học viện Công nghệ Bƣu chính
Viễn thông đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học tập tại trƣờng.
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới PGS.TS Trần Công Hùng, ngƣời đã
trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình chỉ bảo, chia sẻ kiến thức, tài liệu, tạo mọi điều kiện
thuận lợi và định hƣớng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Bên cạnh đó, em cũng đã nhận đƣợc rất nhiều sự hỗ trợ tận tình từ TS. Tân
Hạnh, TS.Vũ Ngọc Phàn, TS.Bùi Xuân Lộc, ThS.Bùi Thanh Khiết và các đồng
nghiệp tại Đài truyền hình TP.HCM. Xin gửi lời tri ân đến tất cả các thầy và các anh
chị.
Tuy nhiên, do thời gian hạn hẹp, mặc dù đã nỗ lực hết sức mình, nhƣng chắc
rằng luận văn khó tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ
bảo tận tình của quý thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 30 tháng 5 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Thị Nguyệt Quế


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................... iv
DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................. v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN ..................................................................................... 3
1.1 Tổng quan về điện toán đám mây ........................................................................3
1.1.1 Giới thiệu chung ...............................................................................................3
1.1.2 Các dịch vụ điện toán đám mây .......................................................................4
1.2 Lý thuyết trò chơi .................................................................................................7
1.2.1 Ý tƣởng của lý thuyết trò chơi .........................................................................7
1.2.2 Định nghĩa các khái niệm .................................................................................9
1.2.3 Phân loại các trò chơi .....................................................................................10
1.3 Ảo hóa ................................................................................................................12
1.4 Bài toán tối ƣu tổ hợp với metaheuristic ............................................................15
1.5 Giải thuật mô phỏng luyện kim ..........................................................................16
1.5.1 Giới thiệu chung .............................................................................................16
1.5.2 Nội dung giải thuật .........................................................................................18
Chƣơng 2: CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN VÀ
MÔ HÌNH CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN ................................................................... 21
2.1 Các công trình liên quan.....................................................................................21
2.2 Mô hình cấp phát tài nguyên ..............................................................................22
Chƣơng 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN CÔNG BẰNG
VÀ HIỆU QUẢ DỰA TRÊN LÝ THUYẾT TRÒ CHƠI ........................................ 25
3.1 Cấp phát tài nguyên dựa trên lý thuyết trò chơi .................................................25
3.1.1 Xây dựng mô hình toán học ...........................................................................25
3.1.2 Ứng dụng thuật toán luyện kim ......................................................................29
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ................................................................. 32
4.1 Môi trƣờng giả lập ..............................................................................................32
4.2 Kết quả thực nghiệm ..........................................................................................32
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 37

1. Đánh giá kết quả thực nghiệm ............................................................................37
2. Những vấn đề còn tồn tại....................................................................................37
3. Hƣớng phát triển .................................................................................................37
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 38
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 40


iv

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

SA
IaaS
SaaS
PaaS

Simulated Annealing
Infrastruture as a Service
Software as a Service
Platform as a Service

Giải thuật luyện kim
Dịch vụ hạ tầng
Dịch vụ phần mềm

Dịch vụ nền tảng


v

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 4.1

Thông số kỹ thuật đầu vào

Bảng 4.2

Kết quả thu đƣợc khi chạy thuật toán từ 10 đến 150 máy 33
ảo

32


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1

Mô hình điện toán đám mây

3

Hình 1.2

Các loại dịch vụ của điện toán đám mây

4

Hình 1.3

Mô hình dịch vụ phần mềm

5

Hình 1.4

Mô hình dịch vụ nền tảng

6

Hình 1.5

Mô hình dịch vụ cơ sở hạ tầng

6

Hình 1.6

Mô hình ảo hóa

13

Hình 1.7

Trình giám sát máy ảo

15

Hình 1.8

Mô hình thuật toán luyện kim

17

Hình 1.9

Quá trình thực hiện thuật giải luyện kim

20

Hình 2.1

Mô hình cấp phát tài nguyên

23

Hình 4.1

Biểu diễn tài nguyên hiện có của các máy chủ đƣợc chỉ định
thực thi quyết định cấp phát tài nguyên

33

Hình 4.2

Biểu diễn yêu cầu tài nguyên của các máy ảo

34

Hình 4.3

Kết quả cấp phát CPU theo yêu cầu của các máy ảo

34

Hình 4.4

Kết quả cấp phát RAM theo yêu cầu của các máy ảo

35

Hình 4.5

Kết quả cấp phát DISK theo yêu cầu của các máy ảo

35

Hình 4.6

Mức độ biến động công bằng và mức độ chia sẽ ƣu thế

36

1

MỞ ĐẦU
Giả sử bạn là giám đốc điều hành của một công ty lớn, trong số rất nhiều
công việc bạn phải đảm đƣơng có việc đảm bảo rằng toàn bộ nhân viên của bạn
đƣợc trang bị đủ thiết bị, cả phần cứng lẫn phần mềm để thực hiện công việc của
họ. Bạn không chỉ cần mua cho mỗi ngƣời một chiếc máy tính mà còn phải mua
cả bản quyền phần mềm cùng toàn bộ các công cụ cần thiết khác. Hơn nữa, mỗi khi
thuê thêm ngƣời mới, bạn lại còn phải mua thêm phần mềm (nếu bản quyền phần
mềm bạn đang dùng không cho phép thêm 1 ngƣời dùng nữa). Chƣa hết, nếu công
ty của bạn có quy mô ngày càng mở rộng, bạn sẽ phải đối mặt với nhu cầu rất cao
về không gian lƣu trữ. Đòi hỏi công việc căng thẳng quá mức khiến bạn không thể
ngon giấc hằng đêm. Nhƣng đừng lo, đã có giải pháp cho bạn. Thay vì phải đi đến
từng máy tính để cài từng bộ phần mềm, bạn chỉ cần tải một ứng dụng duy nhất.
Ứng dụng này sẽ cho phép nhân viên đăng nhập vào một dịch vụ web có chứa toàn
bộ những chƣơng mình mà ngƣời đó cần cho công việc của mình. Vì nó đƣợc kết
nối đến một công ty khác có thể ở cách đó hàng nghìn dặm đang có mọi thứ, từ ứng
dụng mail tới chƣơng trình xử lý văn bản, có không gian lƣu trữ khổng lồ và phần
mềm phân tích dữ liệu…. Đây chính là công nghệ đám mây, một thứ có thể thay
đổi hoàn toàn ngành công nghiệp máy tính. Rất có thể chính bạn cũng đã sử dụng
một dạng thức nào đó của công nghệ đám mây. Nếu bạn đang sở hữu một tài khoản
email trên một dịch vụ mail trực tuyến nhƣ Hotmail, Yahoo! Mail hay Gmail thì
bạn đã có kinh nghiệm trong việc làm việc với “đám mây”. Tức là thay vì phải chạy
ứng dụng mail trên máy tính, bạn chỉ cần đăng nhập vào tài khoản email từ xa. Phần
mềm mail và toàn bộ dữ liệu thƣ từ đều không đƣợc lƣu lại trên PC của bạn – nó
nằm trong “đám mây” của nhà cung cấp dịch vụ.
Điện toán đám mây còn gọi là điện toán máy chủ ảo, là việc ảo hóa các tài
nguyên tính toán và các ứng dụng. Thay vì ngƣời dùng sử dụng một hoặc nhiều
máy chủ thật thì nay ngƣời dùng sẽ sử dụng các tài nguyên ảo hóa thông qua môi
trƣờng internet ở mô hình dịch vụ hạ tầng (Infrastruture as a Server – IaaS).[1] Ở

mô hình điện toán này, mọi khả năng liên quan đến công nghệ thông tin đều đƣợc


2

cung cấp dƣới dạng các "dịch vụ", cho phép ngƣời dùng 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 nhƣ không cần quan tâm đến các cơ sở hạ
tầng phục vụ công nghệ đó. Tuy nhiên, việc quản lý, sử dụng tài nguyên trên điện
toán đám mây là một thách thức lớn cho nhà cung cấp dịch vụ cũng nhƣ ngƣời sử
dụng dịch vụ đầu cuối. Trong môi trƣờng Điện toán đám mây đa số tài nguyên vật
lý không đồng nhất với nhau cũng nhƣ có các yêu cầu từ ngƣời dùng không đồng
nhất đối với các loại tài nguyên.[2] Điều đó gây khó khăn cho quá trình cấp phát tài
nguyên nhất là trong giai đoạn khan hiếm tài nguyên. Trong nghiên cứu này, chúng
tôi xây dựng mô hình cấp phát tài nguyên dựa trên lý thuyết trò chơi để đảm bảo sự
công bằng giữa các máy chủ vật lý cũng nhƣ đảm bảo sử dụng hiệu quả tài nguyên.
Giải pháp cấp phát tài nguyên công bằng đƣợc tìm dựa trên giải thuật luyện kim
(Simulated Annealing - SA).
 Mục tiêu của đề tài
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để tối ƣu hóa việc cấp phát tài nguyên trên điện
toán đám mây?
Từ đó đặt mục tiêu của đề tài là đề xuất một mô hình cấp phát tài nguyên
dựa trên lý thuyết trò chơi để đảm bảo sự công bằng giữa các máy chủ vật lý cũng
nhƣ đảm bảo sử dụng hiệu quả tài nguyên.
 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu:
 Lý thuyết về điện toán đám mây
 Cơ chế lƣu trữ và quản lý máy ảo.
 Lý thuyết trò chơi và thuật toán luyện kim.
 Phạm vi nghiên cứu:

Xây dựng mô hình trò chơi hợp tác giữa các máy vật lý với thông tin hoàn
hảo sử dụng công cụ NetBeans IDE để mô phỏng thuật toán luyện kim vào mô
hình.


3

Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1 Tổng quan về điện toán đám mây
1.1.1 Giới thiệu chung
Điện toán đám mây (Cloud Computing) là một mô hình điện toán sử dụng
công nghệ máy tính và phát triển dựa vào Internet. Thuật ngữ “đám mây” là một
cách nói ẩn dụ nhằm để chỉ mạng Internet mà ở đó cung cấp môi trƣờng tính
toán là nơi cung cấp tất cả phần mềm, dữ liệu, tài nguyên đƣợc cung cấp cho
máy tính và các thiết bị khác theo yêu cầu. Một khái niệm đơn giản về điện toán
đám mây là các nguồn điện toán khổng lồ nhƣ phần mềm, dịch vụ nằm tại các
máy chủ ảo (đám mây) trên internet thay vì các máy tính gia đình, văn phòng
(trên mặt đất) để mọi ngƣời kết nối và sử dụng khi họ cần.
Mô hình điện toán đám mây gồm có một mặt trƣớc (front end) và một
mặt sau (back end). Hai thành phần này đƣợc kết nối thông qua một mạng,
trong đa số trƣờng hợp là Internet. Phần mặt trƣớc là phƣơng tiện chuyên chở
qua đó ngƣời dùng tƣơng tác với hệ thống; phần mặt sau chính là đám mây.
Phần mặt trƣớc gồm có một máy tính khách hoặc mạng máy tính của doanh
nghiệp và các ứng dụng đƣợc sử dụng để truy cập vào đám mây. Phần mặt sau
cung cấp các ứng dụng, các máy tính, các máy chủ và lƣu trữ dữ liệu để tạo ra
đám mây của các dịch vụ.[3]

Hình 1.1: Mô hình điện toán đám mây
(Nguồn: )

4

1.1.2 Các dịch vụ điện toán đám mây
Có rất nhiều loại dịch vụ của điện toán đám mây. Tuy nhiên các dịch vụ cơ
bản của nó bao gồm : Dịch vụ cơ sở hạ tầng (Infrastructure as a Service – IaaS),
dịch vụ nền tảng (Platform as a Service – PaaS), dịch vụ phần mềm (Software as
a Service – SaaS), dịch vụ phần cứng (Hardware as a Service) (Hình 1.2).[4]

Hình 1.2: Các loại dịch vụ của điện toán đám mây
(Nguồn: )

 Dịch vụ phần mềm (Software as a Service – SaaS)
Mô hình dịch vụ (hình 1.3) cho phép nhà cung cấp dịch vụ sẽ cung cấp cho
khách hàng các phần mềm dạng dịch vụ hoàn chỉnh. Dịch vụ phần mềm hoạt
động theo nền tảng muti-tenant. Khách hàng có thể lựa chọn phần mềm hoặc dịch
vụ phù hợp với nhu cầu. Phần mềm hoặc dịch vụ đó chạy trên nền tảng điện toán
đám mây.
Mô hình này giải phóng ngƣời dùng khỏi việc quản lý hệ thống, cơ sở hạ
tầng, hệ điều hành… tất cả sẽ do nhà cung cấp dịch vụ quản lý và kiểm soát để
đảm bảo ứng dụng luôn sẵn sàng và hoạt động ổn định. Hiện nay, SaaS phát triển
mạnh nhất ở các mảng ứng dụng doanh nghiệp nhƣ: CRM, HRM, ERP,
Accouting, Collaboration,…


5

Hình 1.3: Mô hình dịch vụ phần mềm

 Dịch vụ nền tảng (Platform as a Service – PaaS)

PaaS (Platform as a Service) (hình 1.4) hỗ trợ việc triển khai ứng dụng mà
không quan tâm đến chi phí hay sự phức tạp của việc trang bị và quản lý các lớp
phần cứng và phần mềm bên dƣới, cung cấp tất cả các tính năng cần thiết để hỗ
trợ chu trình sống đầy đủ của việc xây dựng, cung cấp một ứng dụng và dịch vụ
web sẵn sàng trên internet mà không cần bất kì thao tác tải hay cài đặt phần mềm
cho những ngƣời phát triển, quản lý tin học, hay ngƣời dùng cuối.
PaaS là mô hình dịch vụ dựa trên nền tảng IaaS (Server, Storage, Network,
Security,…) với sự bổ sung các thành phần OS, Middleware để tạo môi trƣờng
tính toán giúp bạn dễ dàng phát triển và triển khai các ứng dụng. Với PaaS, các
nhà phát triển phần mềm hay bộ phận CNTT của các doanh nghiệp có thể nhanh
chóng thiết lập môi trƣờng lập trình, chạy thử ứng dụng. Nhờ đó có thể tập trung
cải tiến chức năng của ứng dụng thay vì bận tâm đến hạ tầng phức tạp bên dƣới.
Một số nền tảng PaaS nổi tiếng có thể kể đến nhƣ Google App Engine, Microsoft
Azure, Salesforce Force.com….


6

Hình 1.4: Mô hình dịch vụ nền tảng

 Dịch vụ cơ sở hạ tầng (Infrastructure as a Service – IaaS )
IaaS (Hình 1.5) là dịch vụ trung tâm, cung cấp khả năng truy xuất tài
nguyên từ xa. IaaS bao gồm một tập hợp các tài nguyên vật lí nhƣ các máy chủ,
các thiết bị mạng và các ổ lƣu trữ. Chúng đƣợc đƣa ra nhƣ là các dịch vụ để cung
cấp cho ngƣời tiêu dùng. Các dịch vụ ở đây hỗ trợ cơ sở hạ tầng ứng dụng - bất kể
cơ sở hạ tầng đó đang đƣợc cung cấp qua một đám mây hay không. Cũng nhƣ với
các dịch vụ nền tảng, sự ảo hóa là một phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng để tạo
ra chế độ phân phối các nguồn tài nguyên theo yêu cầu. Ví dụ về các dịch vụ IaaS
nhƣ IBM BlueHouse, Vmware, Amazon EC2, Microsoft Azure Platform, Sun
Parascale Cloud Storage…

Hình 1.5: Mô hình dịch vụ cơ sở hạ tầng


7

Chính vì vậy trong bài luận văn này tôi tập trung nghiên cứu mô hình quản
lý tài nguyên tập trung cho điện toán đám mây ở tầng dịch vụ hạ tầng Iaas bao
gồm các thành phần: quản lý máy vật lý, quản lý ảo hóa tập trung.

1.2 Lý thuyết trò chơi
1.2.1 Ý tưởng của lý thuyết trò chơi
Lý thuyết trò chơi là một kỹ thuật đƣợc sử dụng để phân tích các vấn đề
chiến lƣợc trong những môi trƣờng đa dạng. Chính vì vậy, cách tiếp cận phổ biến
của lý thuyết trò chơi đó là sẽ nghiên cứu và suy luận trong bài toán đặt ra để trả
lời đƣợc các câu hỏi: trò chơi gì? Đối tƣợng nào tham gia vào trò chơi? Trò chơi
có thể đƣợc ứng dụng ra sao và trong tình huống nào?
Văn bản quan trọng đầu tiên về lý thuyết trò chơi là tác phẩm “Theory of
Games and Economic Behaviour” (Lý thuyết trò chơi và hành vi kinh tế) của hai
nhà toán học John Von Neumann và Oskar Morgenstern đƣợc xuất bản năm
1944. Lý thuyết trò chơi đã phát triển đáng kể từ khi sách của Von Neumann và
Morgenstern đƣợc xuất bản và phạm vi ứng dụng của nó đƣợc mở rộng vƣợt ra
ngoài ranh giới của toán học. Thành quả này phần lớn là do sự đóng góp của John
Nash vào thập niên 1950. Tuy nhiên, phải đến thập niên 1970 thì lý thuyết trò
chơi, với vai trò nhƣ một phƣơng pháp phân tích các tình huống chiến lƣợc, mới
bắt đầu đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó kinh tế
học, chính trị học, quan hệ quốc tế, kinh doanh và sinh học. Nhiều công trình
nghiên cứu quan trọng đã đẩy nhanh đến bƣớc đột phá này, tuy nhiên, cuốn “The
Strategy of Conflict (1960 – Chiến lƣợc xung đột) của Thomas Scheling vẫn là
tác phẩm nổi bật xét theo quan điểm khoa học xã hội.

Hutton(1996) mô tả lý thuyết trò chơi nhƣ là “một khuôn khổ trí tuệ cho
việc khảo sát những gì mà các bên liên quan đến một quyết định nên tiến hành xét
theo mức sở hữu thông tin không đầy đủ và những mục tiêu khác nhau của họ”.
Định nghĩa này mô tả lý thuyết trò chơi đƣợc sử dụng để làm gì hơn là cho biết
bản thân nó là cái gì. Nó cũng hoàn toàn tiêu biểu cho những nét đặc biệt của một


8

tình huống vốn khiến cho tình huống đó có thể phân tích đƣợc bằng lý thuyết trò
chơi. Những đặc điểm này là: những hành động của các bên liên quan tác động
lẫn nhau nhƣng chính xác điều này có thể thực sự xảy ra nhƣ thế nào thì không
biết đƣợc. Vì thế, sự tƣơng thuộc và vấn đề thông tin là các khía cạnh then chốt
của định nghĩa lý thuyết trò chơi.
Lý thuyết trò chơi là một kỹ thuật đƣợc dùng để phân tích các tình huống
dành cho hai hoặc nhiều cá nhân mà kết cục của một hành động đƣợc một trong
số họ thực hiện không chỉ phụ thuộc và hành động cụ thể của chính cá nhân đó
mà còn phụ thuộc vào hành động của (những) cá nhân còn lại trong trò chơi.
Trong những trƣờng hợp này, các kế hoạch hoặc chiến lƣợc của những cá nhân
liên quan sẽ phụ thuộc vào các dự kiến về những gì mà ngƣời khác đang làm. Do
đó, những cá nhân trong tình huống này không ra quyết định một cách biệt lập,
mà việc ra quyết định của họ có quan hệ phụ thuộc lẫn nhau. Điều này đƣợc gọi là
sự tƣơng thuộc chiến lƣợc và những tình huống nhƣ thế thƣờng đƣợc gọi là trò
chơi chiến lƣợc, hoặc đơn giản là trò chơi, và những ngƣời tham gia trong các trò
chơi nhƣ thế đƣợc gọi là những ngƣời chơi. Trong các trò chơi chiến lƣợc, hành
động của một cá nhân hoặc một nhóm tác động lên những ngƣời chơi khác và
quan trọng hơn các cá nhân ấy nhận thức đƣợc điều này.
Bởi vì những ngƣời chơi trong một trò chơi biết rõ rằng kết cục của những
hành động của họ bị tác động bởi ngƣời chơi khác và ảnh hƣởng lên ngƣời khác,
nên họ cần phải tính đến những hành động khác nhau có thể có của những ngƣời

chơi khác khi chính họ ra quyết định. Tuy nhiên, khi các cá nhân có thông tin hạn
chế về những hành động dự tính (chiến lƣợc) của những cá nhân khác, họ phải
phỏng đoán về những gì họ nghĩ rằng những ngƣời kia sẽ làm. Quá trình suy nghĩ
kiểu này cấu thành tƣ duy chiến lƣợc và khi chúng ta dùng đến loại tƣ duy này, lý
thuyết trò chơi có thể giúp chúng ta hiểu đƣợc những gì đang xảy ra và dự báo về
những kết cục có khả năng xảy ra.


9

Kết cục về lý thuyết của trò chơi đƣợc biểu diễn dƣới dạng những tổ hợp
chiến lƣợc có nhiều khả năng đạt đƣợc mục tiêu của các ngƣời chơi nhất căn cứ
vào thông tin sẵn có cho họ. Các lý thuyết gia trò chơi tập trung vào các tổ hợp
chiến lƣợc đƣợc gọi là các chiến lƣợc cân bằng (equilibrium strategy) của ngƣời
chơi. Nếu ngƣời chơi chọn các chiến lƣợc cân bằng của họ, họ đang hành động tốt
nhất có thể căn cứ vào các chọn lựa của những ngƣời chơi khác. Trong những
tình huống này, không có bất kỳ ngƣời chơi nào có động cơ thay đổi kế hoạch
hành động của mình. Sự cân bằng của một trò chơi diễn tả những chiến lƣợc mà
các ngƣời chơi duy lý đƣợc tiên đoán là sẽ chọn khi họ tƣơng tác với nhau. Việc
tiên đoán các chiến lƣợc mà các ngƣời chơi trong một trò chơi có khả năng lựa
chọn hàm ý rằng chúng ta cũng đang tiên đoán thu hoạch của họ.
Các trò chơi thƣờng đƣợc đặt trƣng bởi cách thức hoặc trình tự các ngƣời
chơi ra quyết định. Loại trò chơi mà các ngƣời chơi bƣớc đi cùng một lúc hoặc
các bƣớc đi của họ đƣợc che giấu đƣợc gọi là trò chơi đồng thời hoặc trò chơi tĩnh
Loại trò chơi mà ngƣời chơi bƣớc đi theo một trật tự định trƣớc đƣợc gọi là trò
chơi tuần tự hoặc trò chơi động.[5]

1.2.2 Định nghĩa các khái niệm


Trò chơi chiến lược (strategic game): Một tình huống hay kịch bản trong

đó đối với hai hoặc nhiều cá nhân việc lựa chọn hành động hoặc hành vi của họ
có tác động tới (những) ngƣời còn lại.


Sự tương thuộc chiến lược (strategic interdependence): những quyết định

của các cá nhân, những lựa chọn hành động của họ, tác động lẫn nhau và vì thế
việc ra quyết định của họ có quan hệ phụ thuộc lẫn nhau.


Người chơi (player): Ngƣời tham gia vào một trò chơi chiến lƣợc.



Chiến lược (strategy): Kế hoạch hành động của ngƣời chơi.



Thu hoạch (pay –off): Đo lƣờng hiệu quả hành động của ngƣời chơi trong

một kết cục có thể có nào đó. Thu hoạch đƣợc đo lƣờng bằng phần thƣởng vật
chất nhƣ tiền bạc hoặc mức lợi ích mà ngƣời chơi nhận đƣợc từ một kết cục nhất
định của trò chơi.


10



Lợi ích (utility): Mang tính chủ quan về sự thỏa mãn của một ngƣời chơi

hoặc giá trị họ nhận đƣợc từ một kết cục cụ thể của trò chơi.


Chiến lược cân bằng (equilibrium strategy): Một chiến lƣợc “tốt nhất”

cho một ngƣời chơi khi nó mang lại cho ngƣời chơi thu hoạch cao nhất căn cứ
vào lựa chọn của tất cả những ngƣời chơi khác.


Cân bằng trong một trò chơi: một tổ hợp các chiến lƣợc của ngƣời chơi

mà ở đó chúng đáp ứng tốt nhất lẫn nhau.


Chơi duy lý (rational play): ngƣời chơi chọn chiến lƣợc với mục tiêu tối

đa hóa thu hoạch của họ.


Cân bằng Nash: Điểm cân bằng Nash của trò chơi là chiến lƣợc (mỗi

ngƣời có một chiến lƣợc) mà ở đó không một ngƣời chơi nào có thể tăng lợi
nhuận khi những ngƣời chơi khác đã cố định chiến lƣợc. Hay có thể hiểu cân
bằng Nash: là tập hợp các chiến lƣợc sao cho không ngƣời chơi nào có động cơ
đơn phƣơng thay đổi hành động của họ. Trong thế cân bằng này, nếu một ngƣời
chơi thay đổi chiến lƣợc, ngƣời này sẽ nhận đƣợc kết cục thấp hơn.


Hiệu quả Pareto: Trong trò chơi hai ngƣời, một kết cục đƣợc coi là có

hiệu quả Pareto nếu ta không thể cải thiện thu hoạch của một ngƣời chơi mà
không làm giảm đi thu hoạch của ngƣời chơi khác.

1.2.3 Phân loại các trò chơi
 Vấn đề thông tin
Các chiến lƣợc cân bằng của ngƣời chơi sẽ phụ thuộc vào các loại thông
tin mà họ có về nhau. Trong một số trò chơi các ngƣời chơi sẽ đƣợc cung cấp
thông tin rất rõ về nhau nhƣng điều này không hẳn xảy ra trong mọi trò chơi. Cấu
trúc thông tin của một trò chơi có thể đƣợc hiểu bằng nhiều cách. Nếu thông tin là
hoàn hảo thì mỗi ngƣời chơi biết họ ở đâu trong trò chơi và họ đang chơi với ai.
Nếu thông tin là không đầy đủ thì sẽ có ngƣời chơi sẽ đi theo hƣớng ngẫu nhiên
mà ngƣời chơi còn lại sẽ không thể theo dõi rõ ràng đƣợc và thông tin đƣợc gọi là
thông tin bất đối xứng. Khi thông tin là bất đối xứng thì không phải tất cả các
ngƣời chơi đều có thông tin nhƣ nhau. Thay vào đó một vài ngƣời chơi có thông


11

tin riêng.
 Trò chơi đồng thời
Trong những loại trò chơi này các ngƣời chơi thực hiện bƣớc đi cùng một
lúc hoặc, gần nhƣ thế, các bƣớc đi của họ là không bị những ngƣời chơi khác nhìn
thấy. Trong cả hai trƣờng hợp các ngƣời chơi cần vạch rõ các chiến lƣợc của
mình trên cơ sở những gì mà những ngƣời chơi khác sẽ làm. Ví dụ trong trò chơi
trốn tìm A và B. A lựa chọn giữa chiến lƣợc: trốn trong nhà hoặc trốn ngoài vƣờn.
B chọn tìm A trong nhà hoặc ngoài vƣờn. B chỉ có 10 phút để tìm A. Nếu chọn
đúng khu vực A đang trốn B sẽ tìm ra A trong khoảng thời gian đã quy định thì A

đƣợc thƣởng 50 ngàn ngƣợc lại thì B đƣợc thƣởng 50 ngàn. Trong trò chơi này
các lợi ích của ngƣời chơi là hoàn toàn đối kháng; nếu một ngƣời chơi thắng thì
ngƣời chơi còn lại thực sự thua. Những trò chơi thế này là những trò chơi xung
đột thuần túy. Thông thƣờng những thu hoạch của các ngƣời chơi trong những trò
chơi xung đột thuần túy cộng thành một tổng hằng số. Khi họ chơi thì trò chơi đó
là trò chơi hằng số. Nếu tổng hằng số đó là zero thì trò chơi đó trò chơi tổng
không. Hầu hết trò chơi không phải là trò chơi xung đột thuần túy. Thƣờng có
một vài cơ hội cho lợi ích chung nhờ sự hợp tác hay đảm bảo. Trong những trò
chơi nhƣ vậy thƣờng sẽ có các kết cục cùng có lợi hay gây hại lẫn nhau vì các
mục tiêu chung.
 Trò chơi động hay các bƣớc đi tuần tự
Trong trò chơi tuần tự, các ngƣời chơi thực hiện các bƣớc đi theo một trật
tự nào đó. Điều này có nghĩa là một ngƣời chơi đi bƣớc trƣớc và ngƣời chơi hoặc
những ngƣời chơi còn lại lại thấy bƣớc đi của ngƣời chơi đầu tiên và đáp trả nó.
Ví dụ nhƣ hai công ty A và B chọn lựa giữa việc phát động chiến dịch
quảng cáo hoặc không. A có bƣớc đi trƣớc nhƣng sự thành công của chiến dịch
của A phụ thuộc vào những gì B làm. Bất kể A chọn thế nào thì B đều thấy bƣớc
đi của A và có thể đáp trả. Nếu B đáp ứng một cách quyết liệt với bƣớc đi của A,
bất kể đó là gì, bằng cách phát động chiến dịch quảng cáo của nó thì lợi nhuận


12

(thu hoạch) của A sẽ thấp hơn so với trƣờng hợp B không phát động chiến dịch.
Nhƣng lợi nhuận của B cũng sẽ thấp hơn do hành động của nó đã đƣa hai công ty
vào cuộc chiến quảng cáo nhiều tốn kém. Tuy nhiên nếu A không phát động chiến
dịch thì B sẽ đƣợc hƣởng lợi nhiều nhất bằng cách phát động chiến dịch của
mình. Điều này có nghĩa rằng trật tự các bƣớc đi là quan trọng và việc phân tích
loại trò chơi này cần phải quan tâm đến nó.
 Trò chơi hợp tác và không hợp tác

Một trò chơi có tính hợp tác hay không là một vấn đề kỹ thuật. Về bản
chất, một trò chơi là hợp tác nếu các ngƣời chơi đƣợc phép giao tiếp và mọi thỏa
thuận họ đạt đƣợc về cách chơi trò chơi nhƣ đƣợc xác định bằng các lựa chọn
chiến lƣợc của họ đều có hiệu lực thực thi. Nhƣng khả năng lựa chọn hợp tác
không làm nên trò chơi hợp tác theo nghĩa kỹ thuật của thuật ngữ này vì một chọn
lựa nhƣ thế không phải là điều bắt buộc. Khả năng bị buộc phải thực thi thỏa
thuận khiến cho việc phân tích những trò chơi hợp tác rất khác với trò chơi không
hợp tác. Do các thỏa thuận có thể đƣợc thực thi nên các ngƣời chơi có động cơ để
đạt tới những kết cục có lợi cho cả đôi bên. Điều này dẫn đến lý thuyết trò chơi
hợp tác tập trung vào những chiến lƣợc vốn có đƣợc thực thi vì lợi ích chung của
các ngƣời chơi. Chính vì vậy tôi xây dựng mô hình trò hợp tác trong đó ngƣời
chơi là các máy vật lý và thông tin về tài nguyên của mỗi các máy vật lý là đầy
đủ.

1.3 Ảo hóa
Thuật ngữ “Ảo Hóa” ra đời năm 1990 trên những máy tính có khả năng xử lý
lớn, ban đầu nó chỉ là những phƣơng pháp phân chia tài nguyên một cách hợp lý
để chạy các ứng dụng khác nhau, từ đó thuật ngữ “Ảo Hóa” phát triển cho đến
nay. Ý tƣởng của công nghệ ảo hóa máy chủ (Hình 1.6) là từ một máy vật lý đơn
lẻ có thể tạo thành nhiều máy ảo độc lập. Mỗi một máy ảo có một thiết lập nguồn
hệ thống riêng rẽ, hệ điều hành riêng và các ứng dụng riêng.


13

Hình 1.6: Mô hình ảo hóa

Trung tâm của ảo hóa là “máy ảo” (VM), một nơi chứa phần mềm chạy
độc lập với các hệ điều hành và các ứng dụng bên trong đó. Bởi vì một máy ảo là
hoàn toàn riêng biệt và độc lập nên nhiều máy ảo có thể chạy đồng thời trên một

máy tính duy nhất. Một lớp phần mềm mỏng đƣợc gọi là hyperisor tách riêng các
máy ảo từ máy chủ, và tự động phân bổ nguồn lực tính toán cho mỗi máy ảo khi
cần thiết.
Kiến trúc này định nghĩa lại phƣơng trình tính toán để cung cấp:
 Nhiều ứng dụng trên một máy chủ. Mỗi một VM có thể đóng gói toàn bộ
máy tính, và nhiều ứng dụng cùng với hệ điều hành có thể chạy trên một
máy chủ cùng một lúc.
 Sử dụng công suất máy chủ tối đa với số lƣợng máy chủ tối thiểu. Tất cả
các máy tính vật lý đƣợc sử dụng hết công suất của nó, cho phép giảm
đáng kể chi phí bằng cách triển khai tổng thể ít các máy chủ hơn.
 Ứng dụng nhanh hơn, dễ dàng hơn với nguồn lực dự phòng. Giống nhƣ
một tệp tin khép kín, máy ảo có thể đƣợc thao tác nhƣ sao chép hay cắt
dán một cách dễ dàng. Điều này mang lại sự đơn giản chƣa từng có, tốc
độ và sự linh hoạt để cung cấp và quản lý CNTT. Máy ảo thậm chí có thể
đƣợc chuyển sang một máy chủ vật lí khác trong khi đang chạy, thông
qua một quá trình đƣợc gọi là chuyển đổi trực tiếp. Bạn cũng có thể ảo


14

hóa các ứng dụng kinh doanh quan trọng để cải thiện hiệu suất, độ tin
cậy, khả năng mở rộng, và giảm chi phí.[6]
Ảo hóa một hoặc hai máy chủ chỉ là khởi đầu. Tiếp theo là tổng hợp một
cụm máy chủ thành một nguồn lực tài nguyên hợp nhất và duy nhất. Ví dụ, thay
vì 20 máy chủ chạy với công suất 15% mỗi máy, bạn có thể giảm số lƣợng phần
cứng và các chi phí liên quan đến 4 máy chủ để mỗi máy hoạt động với công suất
80%. Quá trình ảo hóa thành công là đạt đƣợc mức độ tự động hóa cao trong việc
quản lý và điều phối tài nguyên của cơ sở hạ tầng. Mức độ tự động hóa thể hiện
cấp độ triển khai hệ thống ảo hóa máy chủ. Các cấp độ này đƣợc xem là lộ trình
từng bƣớc để ảo hóa cơ sở hạ tầng.

 Cấp độ 1: Virtual images
 Cấp độ 2: Intergrated Provisioning
 Cấp độ 3: Elastic Provisioning
 Cấp độ 4: Elastic Operations
Trình giám sát máy ảo (VMM - virtual machine monitor) cung cấp
phƣơng tiện để sử dụng đồng thời các tiện ích điện toán đám mây (hình 1.8).
VMM là một chƣơng trình trên một hệ thống máy tính chủ cho phép một máy
tính hỗ trợ nhiều môi trƣờng thi hành giống hệt nhau. Từ quan điểm của ngƣời
dùng, hệ thống này là một máy tính độc lập, hoàn toàn cách biệt với những
ngƣời dùng khác. Trong thực tế, các ngƣời dùng đang đƣợc phục vụ bởi cùng
một máy tính. Một máy ảo là một hệ điều hành (OS) đang đƣợc quản lý bởi một
chƣơng trình điều khiển nằm dƣới cho phép nó xuất hiện giống nhƣ là nhiều hệ
điều hành. Trong điện toán đám mây, VMM cho phép những ngƣời dùng giám
sát và do đó quản lý các khía cạnh của quá trình nhƣ là truy cập dữ liệu, lƣu trữ
dữ liệu, mã hóa, đánh địa chỉ, cấu trúc liên kết và di chuyển tải công việc.


15

Hình 1.7: Trình giám sát máy ảo

1.4 Bài toán tối ƣu tổ hợp với metaheuristic
Bài toán tối ƣu tổ hợp là bài toán chỉ quan tâm đến một cấu hình “tốt nhất”
theo một nghĩa nào đấy. Đây là bài toán có nhiều ứng dụng trong thực tiễn và lý
thuyết tổ hợp đã đóng góp một phần đáng kể trong việc xây dựng những thuật toán
hữu hiệu. Mục đích của bài toán tối ƣu tổ hợp là tìm lời giải tốt nhất trong các lời
giải có thể và không gian tìm kiếm lời giải của bài toán là rời rạc. Nhiều bài toán tối
ƣu tổ hợp có độ phức tạp tính toán cao và đƣợc phân loại thuộc lớp NP khó. Việc
tìm ra lời giải tối ƣu cho các bài toán này cho các hệ thống song song lớn nhất cũng
không thể hoàn thành đƣợc trong giới hạn thời gian cho phép vì vậy các kỹ thuật

heuristic cho việc giải các bài toán tổ hợp theo hƣớng xấp xỉ đã đƣợc phát triển để
tìm ra các lời giải gần tối ƣu (hay xấp xỉ) trong giới hạn thời gian cho phép.[7]
Metaheuristic là một cách gọi chung cho các giải thuật heuristic trong việc giải
quyết các bài toán tổ hợp khó. Metaheuristic bao gồm những chiến lƣợc khác nhau
trong việc khám phá không gian tìm kiếm bằng cách sử dụng những phƣơng thức
khác nhau và phải đạt đƣợc sự cân bằng giữa tính đa dạng và chuyên sâu của không
gian tìm kiếm. Cài đặt thành công của metaheuristic trong một bài toán tổ hợp phải
cân bằng giữa sự khai thác đƣợc kinh nghiệm thu thập đƣợc trong quá trình tìm


16

kiếm để xác định đƣợc những vùng với những lời giải có chất lƣợng cao gần tối ƣu.
Những ví dụ của metaheuristic bao gồm giải thuật luyện kim (SA), giải thuật di
truyền (GA), giải thuật đàn kiến (ACO)…Giải thuật đàn kiến là metaheuristic dùng
chiến lƣợc của kiến trong thế giới thực để giải bài toán tối ƣu. SA xuất phát từ
phƣơng thức xác suất và kỹ thuật luyện bao gồm việc nung và điều khiển làm nguội
các kim loại để đạt đƣợc trạng thái năng lƣợng nhỏ nhất.
Với độ phức tạp tính toán cao của các bài toán tối ƣu tổ hợp cũng nhƣ đòi hỏi
về mặt thời gian, việc giải các bài toán này yêu cầu cần phải có những cài đặt song
song hóa hiệu quả của các giải thuật để giải quyết chúng. Song song hóa các giải
thuật metaheuristic phải đạt đƣợc 2 yêu cầu: đa dạng hóa để khám phá đƣợc nhiều
vùng trong không gian tìm kiếm và tăng tốc độ tìm kiếm.
Giải thuật Luyện Kim sử dụng chiến lƣợc tìm kiếm ngẫu nhiên, thoát khỏi
(vƣợt qua) các điểm tối ƣu cục bộ bằng cách cho phép cả các dịch chuyển “tồi” từ
trạng thái hiện thời, nhƣng giảm dần tần xuất của các di chuyển tồi này.

1.5 Giải thuật mô phỏng luyện kim
1.5.1 Giới thiệu chung
Simulated Annealing (SA) là một thuật toán dựa trên các heuristic về xác

suất, dùng cho một lớp các vấn đề để tìm một số điều kiện tốt nhất trong một không
gian tìm kiếm lớn. Nó thƣờng đƣợc dùng khi khi không gian tìm kiếm là hữu hạn.
Đối với một số vấn đề cố định, SA có thể cho hiệu quả tốt hơn cả thuật toán vét cạn,
khi mà đơn thuần chỉ cần một kết quả chấp nhận đƣợc. Thuật toán đƣợc nêu ra độc
lập bởi Scott Kirkpatrick, C. Daniel Gelatt, Mario P. Vecchivào năm 1983, và bởi
Vlado Černýnăm 1985.[8]


17

Hình 1.8: Mô hình thuật toán luyện kim

 Ý tƣởng thuật toán
Tên gọi và ý tƣởng của thuật toán bắt nguồn từ kỹ thuật luyện kim trong
ngành luyện kim, một kỹ thuật sử dụng một cách khéo léo việc nung nóng rồi làm
nguội vật liệu kim loại nhằm làm tăng kích thƣớc và giảm những chỗ khuyết, lõm
của chúng. Nhiệt độ làm cho các nguyên tử trong vật liệu trở nên mất liên kết và rời
khỏi vị trí ban đầu của chúng và di chuyển ngẫu nhiên vào những nơi có năng lƣợng
cao hơn; còn việc làm nguội sẽ làm tăng khả năng nhận đƣợc một trạng thái có nội
năng thấp hơn so với ban đầu.
Tƣơng tự nhƣ quá trình vật lý của kỹ thuật trên, từng bƣớc của thuật toán
SA cố gắng thay thế các giải pháp hiện tại bằng một giải pháp ngẫu nhiên (lựa chọn
theo một danh sách phân phối của các ứng cử viên, thƣờng đƣợc xây dựng từ các
giải pháp gần với giải pháp hiện tại đang xét), các giải pháp mới sau đó có khả năng
đƣợc chấp nhận dựa trên một xác suất, quyết định bởi sự khác biệt của giá trị một
hàm tƣơng ứng và một tham số toàn cục T (gọi là nhiệt độ - Temperature) giảm dần
trong suốt thuật toán thực hiện. Sự phụ thuộc này cũng nhƣ việc lựa chọn giữa giải
pháp trƣớc đó và giải pháp hiện tại hầu nhƣ là ngẫu nhiên khi T lớn, tuy nhiên sẽ
cho kết quả chọn lựa tốt hơn khi T giảm dần về 0, cũng nhƣ trong việc luyện kim,
khi nhiệt độ cao, các nguyên tử chuyển động hỗn độn theo một tốc độ và tần suất

lớn, tuy nhiên nhiệt độ càng giảm thì các nguyên tử càng ít chuyển động dần đi.