پایان نامه تأمین منابع ابر بازار نقدی با روش مبتنی بر هزینه

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc”

 مهندسی کامپیوتر – نرم افزار

چکیده:

رشد سریع تقاضا برای قدرت محاسباتی موجب شده است تا محاسبات به سمت مدل رایانش ابری که بر اساس مراکز داده مجازی شده عظیم بنا شده است، سوق یابد. رایانش ابری به کاربران اجازه می­دهد که برای برآوردن نیازهای خود، منابع محاسباتی را به طور کارآمد و پویا تأمین کنند. استفاده از این منابع مسلماً مستلزم پرداخت هزینه توسط کاربران می­باشد. اغلب فراهم­کنندگان خدمات ابر دو روش پرداخت را پیشنهاد می­کنند، رزرو کردن و بر حسب تقاضا. که روش رزروکردن ارزانتر بوده اما با توجه به نامعلوم بودن میزان نیازهای کاربر نمی­توان فقط از این روش استفاده کرد و گاه ممکن است میزان منابع رزرو شده کمتر یا بیشتر از درخواست واقعی کاربر باشد که اگر کمتر باشد برای تأمین بقیه درخواست از روش برحسب تقاضا استفاده می­شود و اگر میزان منابع رزرو شده بیش از نیاز باشد، کاربر متحمل هزینه­های اضافی می­شود.

پایین آوردن هزینه ­ی استفاده از منابع ابر برای کاربران، یکی از مسائل مورد توجه در رایانش ابری است­. پیش­بینی هر چه دقیق­تر نیازهای آتی کاربران و در نتیجه دقت بیشتر میزان رزرو منابع، منجر به کاهش هزینه کلی تأمین منابع در ابر می­­شود. در این رساله، برای پیش­بینی دقیق­تر نیازهای آتی از شبکه عصبی پرسپترون چند لایه با مدل آموزش پس انتشار خطا استفاده شده است. سپس الگوریتم رقابت استعماری جهت تخصیص منابع به فراهم­کنندگان، به منظور بهینه­سازی هزینه نهایی به کار گرفته شده است. نتایج بدست آمده از شبیه­ساز طراحی شده در محیطNetBeans  نشان دهنده کاهش هزینه تأمین منابع نسبت به الگوریتم­ های پیشین است.

­

مقدمه:

قبل از پیدایش رایانه­ها، اگر شخصی قصد یافتن اطلاعاتی را داشت به ناچار می­بایست به صورت فیزیکی به مراجع خاصی مراجعه و زمان و هزینه بسیار زیادی را صرف یافتن و بهره­گیری از آن­ها می­نمود. با فراگیر شدن رایانه­ها و دیجیتال شدن اطلاعات،  فرآیند یافتن و بهره­گیری از اطلاعات آسانتر شد. اما با ظهور اینترنت و سرویس­های مبتنی بر وب، تحولی بسیار ارزشمند در زمینه­ی فناوری اطلاعات ایجاد شد. اینترنتی که با استفاده از آن می­توان در مدت زمان چند ثانیه نامه­ای را به دورترین نقطه­ی کره­ی زمین فرستاد، لیست تصاویر و اطلاعات مورد نیاز را با صرف چند هزارم ثانیه یافت، از هر مکانی روی تجارت خود مدیریت و نظارت داشت، اسناد و اطلاعات همواره در دسترس بوده و در تمام لحظات با دیگران در ارتباط بود.

یکی دیگر از خواسته ­هایی که همواره مورد بحث محققین فناوری اطلاعات قرار گرفته، رویای دیرینه سودمندی به عنوان یک سرویس[1] بود که با پیدایش فناوری مجازی­سازی[2] تحقق یافت. امکان استفاده از منابع محاسباتی به شکل ماشین مجازی[3] در این فناوری فراهم گردیده است. یکپارچه‌سازی سرویس­دهنده­ها و بهینه‌سازی زیرساخت، مدیریت و امنیت بهتر و راحت­تر سرویس­دهنده­ها، بهبود بهره­وری منابع، کاهش هزینه­ها و ارتقاء و بروزرسانی آسان از جمله مزایای مهم فناوری مجازی­سازی می­باشد[1]. امروزه محاسبات به عنوان یک سرویس در قالب رایانش ابری[4]  با به­کارگیری ماشین­های مجازی ]2[ ارائه می­گردد.

      تکنولوژی ­هایی مانند خوشه­ بندی[5]، مشبک[6] و اکنون محاسبات ابری همگی در جهت دستیابی به قدرت محاسبات بسیار بالا به روش تماماً مجازی به وسیله­ی اجتماع منابع و ارائه­ی یک سیستم واحد و یکپارچه در نظر کاربر، پیش می­روند. علاوه بر این، هدف مهم این تکنولوژی­ها تحویل محاسبات بر حسب نیازمندی است.

     محاسبات سودمند[7] مدلی از تجارت و کسب وکار را شرح می­دهد که در آن توان محاسباتی بر حسب نیاز ارائه می­گردد. مشتریان بر اساس میزان استفاده از خدمات به فراهم­آورنده­ی آن مبلغی پرداخت می­کنند، مشابه روشی که امروزه در خدمات مفید عمومی مانند آب، برق، گاز و تلفن می­بینیم که به اندازه­ی مصرف هر یک از آن­ها در قبوض مربوطه مبلغ پرداختی مشخص می­شود، می­باشد[1].

     به روشنی می­توان دریافت که پس از گذشت نزدیک به دو دهه از ظهور اینترنت و سال­ها عرضه سخت­افزار، نرم­افزار و خدمات، ناگهان پرسشی اساسی در ذهن پژوهشگران و متفکران این عرصه شکل گرفته است. اکنون که خدمات مذکور این چنین با تار و پود زندگی ما عجین شده است، چرا همچون خدمات عمومی دیگری مانند انتقال برق و گاز به آن­ها دسترسی نداشته باشیم؟ چرا منابع پردازشی خود را با چنین رویکردی به اشتراک نگذاریم تا هرکس به اندازه­ی نیاز خود و در مواقع لزوم، از آن­ها استفاده کند؟ و این­گونه ایده­ی محاسبات ابری شکل می­گیرد.

خدمات رایانش ابری بر اساس مدل "پرداخت در ازای استفاده[8]" بنا نهاده شده است و شرکت­های بزرگی این سرویس­ها را ارائه می­دهند [3]، [4]، [5]، [6].

اما رایانش ابری چیست؟ با رایانش­های قبلی چه تفاوت­هایی دارد و فراهم­کنندگان و مصرف­کنندگان ابر با چه چالش ­هایی روبرو هستند؟ چگونه می­توان هزینه استفاده از منابع را تا حد امکان برای کاربران بهینه کرد؟

در فصل اول این رساله مفاهیم کلی مربوط به رایانش ابری معرفی شده است. در فصل دوم به بیان مسأله و تاریخچه و کارهای پیشین صورت گرفته در زمینه­ی کاهش هزینه تأمین منابع ابر پرداخته شده است. فصل سوم الگوریتم ­های­ پرسپترون چند لایه با روش آموزش پس­انتشار خطا و رقابت استعماری را تشریح می­کند. در فصل چهارم روش پیشنهادی مطرح گردیده و با استفاده از شبیه­ساز مورد ارزیابی قرار گرفته است و در فصل پنجم به نتیجه­گیری پرداخته شده است. 

فصل اول

مروری بر رایانش ابری و مفاهیم مرتبط آن

1-1)     مفهوم رایانش ابری

     پیدایش مفاهیم اساسی رایانش ابری به دهه­ی ۱۹۶۰ بازمی­گردد[7]. زمانی که جان مک کارتی اظهار داشت که «رایانش ممکن است روزی به عنوان یکی از صنایع همگانی سازماندهی شود».

تقریباً تمام ویژگی­های امروز رایانش ابری به همراه مقایسه­ای با صنعت برق و شکل‌های مصرف عمومی و خصوصی و دولتی و انجمنی را D. Parkhill در کتابی با عنوان «مشکل صنعت همگانی رایانه» در سال ۱۹۶۶ مورد بررسی قرار داد [8]. واژه­ی ابر در واقع برگرفته از صنعت تلفن است به این­گونه که سازمان­های ارتباطات راه دور که تا دهه­ی ۱۹۹۰ تنها خطوط نقطه به نقطه­ی اختصاصی ارائه می‌کردند، شروع به ارائه­ی شبکه‌های خصوصی مجازی با کیفیتی مشابه و قیمت­های کمتر نمودند. نماد ابر برای نمایش نقطه مرزی بین بخش­هایی که در حیطه­ی مسئولیت کاربرند و آن­هایی که در حیطه­ی مسئولیت عرضه کننده، به ­کار گرفته می‌شد. رایانش ابری مفهوم ابر را به گونه‌ای گسترش می‌دهد که سرورها را نیز علاوه بر زیر ساخت‌های شبکه در بر گیرد.[9]

     سایت آمازون با مدرن­سازی مرکز داده خود، نقش مهمی در گسترش رایانش ابری ایفا کرد. آن­ها دریافتند که با تغییر مرکز داده‌های خود که مانند اغلب شبکه‌های رایانه‌ای در بیشتر اوقات تنها از 10% ظرفیت آن استفاده می‌شد و مابقی ظرفیت برای دوره‌های کوتاه اوج مصرف در نظر گرفته شده بود، با معماری ابر می‌توانند بازده داخلی خود را بهبود بخشند. آمازون از سال ۲۰۰۶ امکان دسترسی به سامانه خود را از طریق وب سرویس­ها بر پایه رایانش همگانی ارائه کرد. در سال ۲۰۰۷، Google و IBM به همراه چند دانشگاه پروژه‌ای تحقیقاتی در مقیاسی بزرگ را در زمینه رایانش ابری آغاز نمودند. در اواسط سال ۲۰۰۸ ، شرکت Gartner متوجه وجود موقعیتی در رایانش ابری شد که برای «شکل دهی ارتباط بین مصرف­کنندگان خدمات فناوری اطلاعات، بین آن­هایی که این سرویس­ها را مصرف می‌کنند و آن­ها که این سرویس­ها را می‌فروشند» بوجود می‌آید [10].

    این اصطلاح نامفهوم (رایانش ابری) که در واقع نرم­افزارهای تحت وب را توصیف می­کند، مدت­هاست که در اطراف ما وجود داشته اما بیشتر افراد آن را به این اسم نمی­شناختند. پس به منظور رسیدن این بازار به شروعی جدید و جایگزینی برنامه­های تحت وب به جای نرم­افزارهای وابسته به سرورهای میزبان، این اصطلاح به وجود آمده است. توصیف اینکه چرا از کلمه «ابر» در این اصطلاح استفاده شده نیز بسیار ساده است. ‎ در نمودارهای شبکه­های رایانه­ای، اینترنت معمولاً به شکل ابر در تصویر نمایش داده می­شود. دلیل این تشبیه این است که اینترنت همانند یک ابر، جزئیات فنی­اش را از دید کاربران مخفی نگه می­دارد. بنابراین در واقع این عبارت راهی برای مشاوران و شرکت­ها فراهم آورده تا خدمات خود را در بسته­ بندی­ های جدید به فروش بگذارند. از آنجا که شرکت­های تجاری در حال انتقال نرم­افزارهای خود بر روی وب هستند و این برنامه­ها روز به روز با ویژگی­های جدید و جالب­تری از طریق مرورگرها به معرض نمایش در می­آیند، می­توان گفت: به زودی قادر خواهیم بود که از هر مرورگر و با هر کامپیوتر و بدون وجود هیچ­گونه مرزی بین کامپیوتر شخصی و اینترنت به همه چیز دست پیدا کنیم. حال اجازه دهید به تعریف دقیق رایانش ابری بپردازیم و ویژگی­های کلیدی آن را مشخص کنیم.

1-1-1)                     تعریف رایانش ابری

     بسیاری از محققین حوزه ­ی دانشگاهی و یا تجاری تلاش می­کنند که دقیقاً مشخص کنند که محاسبات ابری چیست و چه ویژگی­های منحصر به فردی ارائه می­کند. پروفسور Buyya از دانشگاه ملبورن که یکی از محققین برجسته در زمینه­ی محاسبات ابری است چنین اظهار می­کند: "ابر یک سیستم محاسبه­ی توزیع شده و موازی است که شامل مجموعه­ای از کامپیوترهای مجازی و متصل به هم می­باشد که به عنوان یک یا چند منبع محاسبه یکپارچه بر اساس توافق­های مربوط به سطح ارائه­ی سرویس[9] فراهم می­شوند و این توافق­ها پس از مذاکراتی بین ارائه­کننده­ی سرویس و مشتری برقرار می­شود"[2].

( تصاویر در فایل اصلی موجود است)

شاید تعریف ارائه شده زیر توسط U.S. NIST[10] (شکل 1-1) کامل‌ترین و بهترین تعریف برای رایانش ابری باشد چون­که در آن تمام خصوصیات و ویژگی­های کلیدی گنجانده شده است[11].

رایانش ابری مدلی برای فراهم آوردن دسترسی راحت و بر اساس تقاضا از طریق شبکه به استخری از منابع محاسباتی قابل پیکربندی اشتراکی(مثل شبکه ها، سرورها، منابع ذخیره­سازی، برنامه ها و سرویس‌ها) می‌باشد که به سرعت تدارک دیده می‌شوند و با حداقل سربار مدیریتی یا تعامل با فراهم آورنده ارائه می‌شوند.

پس محاسبات ابری به کاربران اجازه می­دهد به تمام برنامه­های کاربردی و اسناد خود از هرجایی از دنیا دسترسی پیدا کنند و آن­ها را از گرفتاری­های استفاده از کامپیوترهای شخصی رهایی می­بخشد و کمک می­کند با دیگران همکاری کنند. ابر یک تغییر بسیار عمده را در چگونگی ذخیره­سازی اطلاعات و اجرای برنامه­ های کاربردی به وجود آورده است. به جای قرار گرفتن برنامه­های کاربردی و داده­ها بر روی یک کامپیوتر شخصی منفرد، همه چیز بر روی ابر که مجموعه­ای متشکل از چندین سرور است و از طریق اینترنت به آن­ها دسترسی می­یابند، میزبانی می­شود. درواقع ابر، تصویری انتزاعی از شبکه­ای عظیم است.

1-2)     ویژگی­های محاسبات ابری

     در بین تعاریف بیشماری که برای محاسبات ابری پیشنهاد شده است، چند نکته­ی قابل توجه دیده می­شود که یک ابر باید ویژگی­های زیر را داشته باشد:

ظرفیت آن از نظر منابع و حافظه انعطاف­پذیر و نامحدود باشد و نحوه و محل تخصیص از دید پنهان باشد.

یک واسطی باشد که خدمات را خودش ارائه کند.

منابع انتزاعی و مجازی باشند.

در واقع تحویل محاسبات بر اساس نیازمندی با پیدایش این نوع محاسبات تحقق یافت. به هر حال در طول سال­ها چندین تکنولوژی تکمیل گردیده و در کنار هم قرار گرفته­اند تا محاسبات ابری شکل گیرد.

با توجه به تعریف ارائه شده توسط U.S. NIST، محاسبات ابری دارای پنج ویژگی اصلی است که در ادامه شرح داده شده است[11]:

1-2-1) استخری از منابع[11]

در محاسبات ابری استخری از منابع ارائه می­شود. کاربران با سیاست‌های مجازی­سازی[12] یا چند مستأجری[13] به این منابع دسترسی دارند و منابع بر حسب میزان تقاضای کاربر تغییر می­کنند. این سیاست دو مزیت دارد: تخصصی کردن[14] و صرفه­جویی‌های تولید انبوه[15].  در این مدل منابع فیزیکی از دید کاربر پنهان است و مصرف­کننده هیچ اطلاعی از مکان، شکل ذخیره­سازی اطلاعات و اصل این منابع ندارد.

1-2-2) سلف سرویس و بر طبق تقاضا[16]

مشتری می‌تواند بدون نیاز به تعامل با فراهم­آورنده منابع و در هر لحظه از زمان به منابع دسترسی داشته باشد (مانند ذخیره­سازی شبکه­ای، استفاده از نرم­افزار و غیره).

1-2-3) دسترسی گسترده شبکه­ای[17]

این منابع محاسباتی توسط پلتفرم‌های ناهمگون (از قبیل تلفن‌های همراه، رایانه­های قابل حمل و PDAها) از طریق شبکه­ای مانند اینترنت در دسترس بوده و توسط کاربران مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ABSTRACT

     The rapid growth of demand for computational power has led to the embracement of the cloud computing model that is built upon the foundation of virtual data centers. Cloud computing allows the users to efficiently and dynamically provision computing resources to meet  their  IT needs. Use of these resources payment by users. Most cloud providers offer two types of payment plans to the user, i.e., reservation and on-demand. The reservation plan is typically cheaper than the on-demand plan, but given the uncertain nature of user demands, only this method can not be used and Sometimes , the amount of reserved resources more or less than the actual demands of the user. If it is less than the actual demands,may be on-demand payment is used to provision resources for the rest of the request and if the amount of reserved resources is more than actual demands, user incurres additional costs.

     Reducing the cost of cloud resources for users is one of the issues addressed by the Cloud. More accurately predicting the future needs of users and consequently more carefull reservation of resources, leads to reduce the overall cost of cloud resources provisioning. In this thesis, Multilayer Perceptron with Error Back Propagation learning neural network (MLP-EBP) has been used to predict future demands   more precisely. Then, Imperialist  Competitive Algorithm (ICA) has been applied to allocate resources to the provider in order to optimize the final cost. The results of the evaluation have been designed by a simulator implemented  in the NetBeans environment, which has indicated that Compared to previous algorithms, the cost of resource provisioning has been reduced.