I. GIỚI THIỆU TÍNH TOÁN LƯỚI

1.1. Nguồn gốc tính toán lưới

 Cũng giống như các công nghệ tính toán khác, tính toán lưới xuất phát từ nhu cấu tính toán của con người. Thực tiễn ngày càng đặt ra những bài toán phức tạp hơn và do vậy các tổ chức cũng cần phải có năng lực tính toán mạnh mẽ hơn. Các tổ chức giải quyết vấn đề này bằng hai cách:

• Đầu tư thêm trang thiết bị, cơ sở hạ tầng tính toán (mua thêm máy chủ, máy trạm, siêu máy tính, cluster…). Tuy nhiên cách làm này có một nhược điểm là tốn kém tiền của, số trang thiết bị sẽ tỉ lệ thuận với độ phức tạp của bài toán.
• Có một cách làm khác hiệu quả hơn đó là phân bố lại tài nguyên hợp lý trong tổ  chức hoặc thuê thêm các nguồn tài nguyên từ bên ngoài (tất nhiên là việc thuê này sẽ có chi phí ít hơn nhiều so với việc đầu tư mới trang thiết bị).

 Cách giải quyết thứ hai này chính là mục tiêu và là nguồn gốc yêu cầu cho sự hình thành của tính toán lưới. Các nhà khoa học tại Argone National Labs thuộc đại học Chicago

(Mỹ) là những người đầu tiên đề xuất ý tưởng về tính toán lưới. Cũng như nhiều ý tưởng cách mạng khác trong tin học như World Wide Web, siêu máy tính … tính toán lưới được hình thành bởi nhu cầu thực tế là mong muốn đạt tới giới hạn của khả năng tính toán.

1.2. Khái niệm tính toán lưới

 Hiện nay tồn tại khá nhiều định nghĩa khác nhau về tính toán lưới và vẫn chưa có được một định nghĩa nào được coi là chuẩn. Báo cáo trình bày định nghĩa về tính toán lưới của Ian Foster, đây là định nghĩa sớm và chuẩn nhất về tính toán lưới, định nghĩa này được ông đưa ra trong một bài báo được mang tên “What is Grid ?”. “Grid là một loại hệ thống tính toán song song, phân tán cho phép chia sẻ, lựa chọn, kết hợp các tài nguyên phân tán theo địa lý, thuộc nhiều tổ chức khác nhau dựa trên tính sẵn sàng, khả năng, chi phí của chúng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) của người dùng để giải quyết các bài toán, ứng dụng có quy mô lớn trong khoa học, kỹ thuật và thương mại. Từ đó hình thành nên các “tổ chức ảo” (Virtual Organization (VO)), các liên minh tạm thời giữa các tổ chức và tập đoàn, liên kết với nhau để chia sẻ tài nguyên và / hoặc kỹ năng nhằm đáp ứng tốt hơn các cơ hội kinh doanh hoặc các dự án có nhu cầu lớn về tính toán và dữ liệu, toàn bộ việc liên minh này dựa trên các mạng máy tính”.

 Ta cũng có thể hiểu rằng: tính toán lưới là một cơ sở hạ tầng tin học cụ thể bao gồm phần cứng và phần mềm cho phép người sử dụng khai thác các tài nguyên trên các máy trạm hay máy chủ với tốc độ cao với độ tin cậy, giá thành chấp nhận được và hệ thống có xu hướng trong suốt với người dùng. Tính toán lưới chính là bước phát triển tiếp theo của tính toán phân tán. Mục đích là tạo ra một máy tính ảo với người sử dụng, nó có khả năng tính toán lớn, thậm chí trên cả một siêu máy tính.

 Ý tưởng về tính toán lưới rất có ý nghĩa thực tế. Bởi lẽ, hiện nay theo các nghiên cứu thì các máy tính cá nhân thường chỉ sử dụng từ 5-10% năng lực tính toán còn các máy chủ, siêu máy tính cũng chỉ sử dụng đến 20% năng lực tính toán, đây là sự phí phạm một nguồn tài nguyên tính toán rất lớn. Việc tận dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên này có thể mạng lại một sức mạnh tính toán khổng lồ. Tính toán lưới sẽ là một giải pháp hữu hiệu khi mà mục đích sử dụng của nó tập trung vào sử dụng tốt hơn và có hiệu quả hơn các nguồn tài nguyên nhằm chia sẻ các ứng dụng và tăng cường sự hợp tác trong các dự án. Thuật ngữ “lưới” ở đây xuất phát từ lưới điện (electricity grid), ngụ ý rằng bất cứ một thiết bị tương thích nào đều có thể gắn vào trong lưới và được xếp ở một mức tài nguyên nào đó mà không cần quan tâm đến nguồn gốc của tài nguyên đó. Trong tương lai, tính toán lưới có thể cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ đóng vai trò như là dịch vụ cơ sở hạ tầng mà chúng ta có thể sử dụng hàng ngày như: điện, nước, giao thông, …

 Các nghiên cứu về tính toán lưới đã và đang được tiến hành là nhằm tạo ra một cơ sở hạ tầng lưới, cho phép dễ dàng chia sẻ và quản lý các tài nguyên đa dạng và phân tán trong môi trường lưới. Các thách thức mà công nghệ lưới hướng tới giải quyết bao gồm:

• Sự đa dạng và không đồng nhất của tài nguyên

 Tài nguyên ở đây được hiểu theo nghĩa tổng quát, đó có thể là các tài nguyên phần cứng: tài nguyên tính toán, tài nguyên lưu trữ, các thiết bị đặc biệt khác, …; các tài nguyên phần mềm: các CSDL, các phần mềm đặc biệt bản quyền đắt giá, các đường truyền mạng,... Các tài nguyên này có thể khác nhau về mặt kiến trúc, giao diện, khả năng xử lý,…Việc tạo ra một giao diện thống nhất cho phép khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên này là hoàn toàn không dễ dàng.

• Sự đa dạng và chính sách quản lý tài nguyên

 Các tài nguyên không chỉ phụ thuộc về một tổ chức mà thuộc về nhiều tổ chức  cùng tham gia vào lưới. Các tổ chức này phải tuân thủ một số quy định chung khi tham gia vào lưới còn nhìn chung là hoạt động độc lập tức là các tài nguyên này đều có quyền tự trị. Các tổ chức khác nhau thường có chính sách sử dụng hay cho thuê tài nguyên của họ khác nhau, do vậy cũng gây khó khăn cho việc quản lý.

• Sự phân tán của các tài nguyên

 Dễ nhận thấy rằng các tài nguyên khi tham gia vào lưới là không tập trung, có thể ở nhiều tổ chức nhiều vùng lãnh thổ khác nhau, miễn là các tài nguyên này có thể kết nối được với nhau vì vậy phải có cơ chế quản lý sự phân tán tài nguyên trong lưới.

• Vấn đề an toàn, bảo mật thông tin

 Môi trường lưới là một môi trường rất phức tạp, tuy rằng khi các tổ chức cá nhân cùng tham gia vào một mạng lưới thì sẽ có các quy định áp dụng cho họ nhưng cũng cần phải quan tâm đến việc bảo vệ an toàn thông tin cho các tổ chức khi tham gia vào lưới,  đây phải là một ưu tiên hàng đầu cho những người xây dựng hệ thống lưới.

           Trong bài báo “What Is Grid ?” Ian Foster cũng đ. đưa ra ba đặc điểm của một hệ thống tính toán lưới:

1/. Kết hợp chia sẻ các nguồn tài nguyên không được quản lý tập trung

 Grid tích hợp và phối hợp các tài nguyên, người dùng thuộc nhiều vùng quản lỳ khác nhau, nhiều đơn vị khác nhau trong một tổ chức và nhiều tổ chức khác nhau. Công nghệ Grid tập trung giải quyết một số vấn đề bảo vệ tài nguyên, chính sách quản trị, chi phí, thành viên, …nảy sinh trong quá tr.nh chia sẻ và sử dụng tài nguyên.

2/. Sử dụng các giao diện và giao thức chuẩn mang tính mở

 Tính toán lưới sử dụng các chuẩn mở để chia sẻ qua mạng những tài nguyên phức tạp (trên các nền tảng kiến trúc phần mềm, phần cứng và ngôn ngữ lập trình khác nhau),  nằm tại những điểm khác nhau tùy vào khu vực hành chính. Nói cách khác nó “ảo hóa” các tài nguyên tính toán. 

 Tính toán lưới thường bị nhầm với tính toán phân cụm, tuy nhiên có sự khác nhau giữa hai kiểu tính toán này: cụm tính toán là một tập đơn các nút tính toán tập trung trên một khu vực địa lý nhất định. Lưới tính toán gồm nhiều cụm tính  toán và những tài nguyên khác (như mạng, các thiết bị lưu trữ).

3/. Cung cấp các dịch vụ có chất lượng cao

 Tính toán lưới tạo ra một mô hình để giải quyết các bài toán tính toán lớn bằng cách sử  dụng những tài nguyên rỗi (CPU, thiết bị lưu trữ) của một loạt các máy tính riêng rẽ, thường là máy để bàn. Hệ thống này được coi là một cụm “máy ảo”, nhúng trong một môi trường liên lạc phân tán. Tính toán lưới tập trung vào khả năng hỗ trợ tính toán giữa các khu vực hành chính, điều này làm cho mô hình này khác biệt so với mô hình cụm tính toán và tính toán phân tán truyền thống.

 Tính toán lưới cung cấp một giải pháp cho những bài toán về tính toán hiệu năng cao như tạo nếp protein, mô hình hoá tài chính, mô phỏng động đất và dự báo khí hậu thời tiết, … Ngoài ra tính toán lưới còn có thể giúp các tổ chức, doanh nghiệp sử dụng tối ưu các tài nguyên CNTT và tạo ra các dịch vụ tính toán theo nhu cầu cho khách hàng thương mại, trong đó khách hàng chỉ phải trả những gì họ đã sử dụng giống như điện và nước.

 Tính toán lưới được thiết kế với mục tiêu giải các bài toán tính toán quá lớn cho một siêu máy tính, trong khi vẫn giữ được sự linh hoạt đối với những bài toán nhỏ hơn. Vì vậy tính toán lưới cung cấp một môi trường đa người dùng.

 Mục tiêu thứ hai của tính toán lưới là khả năng khai thác tốt hơn những năng lực tính toán chưa được sử dụng và phục vụ cho những nhu cầu tính toán không ngừng của các bài toán khoa học lớn. Điều này dẫn đến việc sử dụng các cơ chế cấp phép an toàn, cho phép người dùng từ xa có thể điều khiển được các tài nguyên tính toán. 

 Khái niệm “tổ chức ảo” là một khái niệm rất quan trọng trong tính toán lưới. Tổ chức “ảo” là một tổ chức được lập ra để giải quyết một vấn đề nào đó. Thành phần của tổ chức ảo bao gồm nhiều tài nguyên thuộc về nhiều tổ chức thực khác nhau trong môi  trường lưới cùng hoạt động vì một mục tiêu chung. Tùy theo mức độ của vấn đề cần giải quyết mà các tổ chức ảo có thể rất khác nhau về quy mô, phạm vi hoạt động và thời gian sống. Hình phía dưới minh họa về một tổ chức ảo. Có một người dùng cần giải quyết một bài toán lớn về dự báo thời tiết, anh ta thành lập một tổ chức ảo bằng cách thuê một số nguồn tài nguyên khác nhau từ một vài tổ chức khác nhau. Tương tự như vậy, một người dùng cần giải một bài toán về dự báo tài chính, anh ta cũng thành lập một tổ chức ảo để giải quyết bài toán này.

1.3. Lịch sử phát triển

 Khái niệm về Grid đã xuất hiện dưới nhiều dạng trong lịch sử tính toán từ khá lâu. Ví dụ như ý tưởng “chia sẻ năng lực tính toán” đã xuất hiện từ những năm 60-70 của thế kỷ XX. 

 Năm 1965, những người phát triển hệ điều hành Mulitics (tiền nhân của hệ điều hành Unix) đã đề cập đến việc sử dụng năng lực tính toán như một tiện ích, một quan điểm rất gần với quan điểm về Grid như hiện nay. Đó là một hệ thống cung cấp năng lực tính toán tương tự như hệ thống cung cấp điện, nước hiện đang được sử dụng trong cuộc sống hằng ngày. Người dùng khi muốn sử dụng tài nguyên tính toán để xử lý công việc, chỉ cần cắm thiết bị vào hệ thống cung cấp, sử dụng và trả tiền giống như khi cắm thiết bị điện vào lưới điện.

 Tuy nhiên đó mới là những ý tưởng về Grid nhưng nguồn gốc của Grid chính thức được xác định vào năm 1990, khi thuật ngữ “siêu tính toán” ra đời, dùng để mô tả các dự án kết nối các trung tâm siêu máy tính của Mỹ nhằm kết hợp sức mạnh của nhiều siêu máy tính lại với nhau. 

 Những năm 1997 – 1999, có một dự án phi lợi nhuận SETI@home là một trong những nhân tố khoa học nổi tiếng thúc đẩy vào việc tạo ra một dự án tính toán lưới đơn giản bằng cách thu thập các tài nguyên CPU chưa được sử dụng. Những người theo chủ nghĩa Grid thuần túy cho rằng CPUi@home thực chất là một ứng dụng tính toán phân  tán, bởi nó hầu như không thúc đẩy việc sử dụng bất kỳ một khái niệm tính toán lưới nào. SETI@home không phải là dự án đầu tiên mở đường cho kỹ thuật này, việc tận dụng tài nguyên CPU trên máy tính cục bộ đã bắt đầu từ thập niên 1970 với những dự án phi lợi nhuận như DISTRIBUTED. NET, nhưng SETI@home nổi tiếng bởi dự án này được ứng dụng vào nhiều dự án khác như: tạo nếp Protein, nghiên cứu thuốc cho bệnh ung thư, giải các bài toán phức tạp và dự báo thời tiết, . . Hầu hết các dự án này đều được thực hiện dưới dạng các tiến tr.nh chạy trên nền máy tính cá nhân, xử lý những dữ liệu nhỏ khi máy tính ở trạng thái chờ hoặc ít sử dụng tài nguyên.

 Năm 1997, một trong những dịch vụ tính toán lưới thương mại đầu tiên đã được Entropia cung cấp, tới nay cũng có nhiều dịch vụ như vậy do các công ty hay các phòng thí nghiệm thực hiện. Điều khác biệt quan trọng giữ dự án “Lưới” và dự án “giống lưới” là trong lưới cho phép di trú các nhiệm vụ tính toán lưới tới tất cả các nút tính toán trên lưới để thực thi. Chẳng hạn như chương tr.nh xử lý ảnh viễn vọng SETI@home chứa cả mã xử lý dữ liệu từ kính viễn vọng vô tuyến và mã để lấy dữ liệu từ cơ sở dữ liệu và trả lại kết quả. Hai mã này được trộn lẫn vào một chương trình .

 Tính toán lưới hiện nay thì đang có xu hướng phát triển mạnh và được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Hai nhóm gồm Globus Alliance (được sự tài trợ của một vài trường đại học tại Mỹ như đại học Chicago, đại học Berkeley,…) và Global Grid Forum (các thành viên bao gồm các hãng lớn như IBM, SUN, Microsoft,…) là các trung tâm nghiên cứu đáng chú ý hiện nay. Các nhóm này đã tạo ra các chuẩn mã nguồn mở và các giải pháp phần mềm cho công nghệ mới mẻ này. Đó là một nền tảng để các thành phần trong lưới có thể giao tiếp được với nhau. Trong đó:

• Globus Alliance tạo ra bộ công cụ Globus Toolkit (GT) mã nguồn mở, bao gồm các thư viện phần mềm và các dịch vụ cho phép người phát triển tạo ra các ứng dụng lưới. Thư viện GT cung cấp các hàm đảm bảo vấn đề như an ninh, cơ sở hạ tầng thông tin, quản lý tài nguyên lưới, tính tin cậy, tính khả chuyển, . . .
• Global Grid Forum quản lý các tiến trình chuẩn cho việc đặc tả kiến trúc các dịch vụ lưới OGSA (Open Grid Service Architecture) và OGSI (Open Grid Service

Infrastructure).

 Các chuẩn OGSA, OGSI và bộ công cụ Globus Toolkit giúp cho các nhà phát triển triển khai một cách thuận lợi các giải pháp tính toán lưới trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu ở Mỹ và Châu Âu như: dự án tìm kiếm các tín hiệu ngoài trái đất SETI@home, dự án về nghiên cứu bản đồ gen người, dự án IPG (Information Power Grid) của NASA, …Đó là những ứng dụng tiêu biểu cho sự thành công ban đầu của tính toán lưới trong giai đoạn nghiên cứu.

1.4. Các tổ chức tham gia phát triển tính toán lưới

1.4.1. Các tổ chức phát triển chuẩn lưới

 Đại diện cho nhóm này là diễn đàn lưới toàn cầu (GGF – Global Grid Forum) và các tổ chức chuẩn hóa quốc tế khác như OASIS (Organization for the Advancement of Structure Information Standards). W3C (World Wide Web Consortium), IETF (the Internet Engineering Task Force) và DMTF (the Distributed Management Task Force). Hiện nay một trong những hoạt động chính của GGF là phát triển chuẩn dịch vụ lưới OGSA.

1.4.2. Các tổ chức phát triển bộ công cụ framework và các middleware

 Bao gồm các trường đại học, các viện nghiên cứu. Các tổ chức này cho ra đời nhiều bộ công cụ phát triển lưới như Legion, Condor, Nimrod, Unicore, Globus,…

1.4.3. Các tổ chức xây dựng và sử dụng các giải pháp lưới

 Có thể kể ra một số lưới tiêu biểu trên thế giới như Nasa Information Power Grid của NASA, Science Grid của bộ quốc phòng Mỹ, dự án EuroGrid của liên minh Châu Âu với nhiều lưới con như Bio Grid, Metro Grid, Computer-Aided Engineering (CAD)  Grid,…

1.4.4. Các tổ chức đưa công nghệ lưới vào các sản phẩm thương mại

 Trong nhóm này có nhiều đại gia trong ngành công nghiệp máy tính như IBM, SUN, HP, …Các hãng này đưa ra nhiều giải pháp khác nhau dựa trên nền công nghệ tính toán lưới. Hiện nay trên thế giới đã có sự phân biệt giữa công nghệ tính toán lưới mang tính hàn lâm và công nghệ tính toán lưới trong doanh nghiệp.