دانلود پایان نامه

تعداد صفحات پایان نامه: 140 صفحه

دانلود متن کامل این پایان نامه با فرمت ورد word

پایان نامه کارشناسی ارشد کامپیوتر

گرایش نرم افزار

موضوع:

ارائه یک الگوریتم خوشه بندی برای توزیع مناسب کار و ارزیابی کارایی آن

 استاد راهنما:

دکتر سعید پارسا

 استاد مشاور :

مهندس معظمی

نگارش:

سید علی اسحقی

چکیده

با توجه به تحولات اخیر در تکنولوژی ارتباطات و نیاز روز افزون به توان پردازشی زیاد ، امروزه تصور مجموعه ای از کامپیوتر ها که به صورت یک کامپیوتر یکپارچه ،اما با قدرت بسیار بیشتر در حال کار هستند چندان بعید نیست. یک برنامه توزیع شده می تواند به صورت مجموعه ای از پردازه های در حال اجرا که با تبادل پیام از طریق شبکه ارتباطی با یکدیگر همکاری می کنند تعریف شود.

با این حال همواره بعنوان یک اصل، ساخت یک برنامه توزیع شده مشکلتر از برنامه متمرکز است. از جمله عواملی که باعث افزایش این پیچیدگی میشود مواجه شدن با برنامه نویسی تحت شبکه، همگام سازی پردازه ها، حل مساله انحصار متقابل بین آنها، افزایش تحمل پذیری خطا و اشکال زدایی میباشد. یکی از روش های مورد توجه در ساخت سیستم های توزیع شده، تبدیل اتوماتیک برنامه های ترتیبی به برنامه های توزیع شده است.

   در این پایان نامه روشی جدید برای توزیع اتوماتیک برنامه های ترتیبی با خوشه بندی کلاس های آن صورت می گیرد.تکنیک های خوشه بندی متنوعی تا کنون برای این منظور استفاده شده است که پس از بررسی مزایا و معایب هر یک روش جدیدی برای خوشه بندی معرفی شده است. پس از خوشه بندی معماری طوری بازسازی میشود که حداکثر همروندی در اجرای قطعات توزیع شده ایجاد شود لذا در این پروژه روشی برای بازسازی معماری سیستم های توزیعی علمی با ایجاد حداکثر همروندی در اجرای کد برنامه ها ارائه خواهد شد.

مقدمه

در سال های اخیر صنعت کامپیوتر رشد بسیار شگفت انگیزی داشته است. در طی دو دهه اخیر سرعت کامپیوتر های شخصی از چند دستور در ثانیه به چند میلیون دستور در ثانیه رسیده است در صورتی که قیمت آنها نیز از چند میلیون دلار به چند هزار دلار کاهش یافته است.

افزایش نیاز به سیستم هایی با کارائی بسیار زیاد و سرعت فوق العاده بالای شبکه ها (شبکه های ترابیتی) سبب جلب علاقه محققان به پردازش های موازی و توزیع شده، شده است. از جمله دلایل افزایش توجه به سیستم های توزیع شده می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1: پیشرفت تکنولوژی پردازش.

2: سرعت بالای شبکه ها.

3: انجام تحقیقات گسترده برای ارائه محیطهائی برای انجام محاسباتی توزیع شده.

بعلاوه به نظر می رسد با افزایش روزافزون نیاز به توان پردازشی سریعتر، هیچ بستر محاسباتی منفرد، نمی تواند پاسخگوی این نیاز باشد بنابراین محیطهای پردازشی آتی باید بتواننداز منابع محاسباتی نا همگن موجود در شبکه استفاده کنند. فقط سیستم های موازی و توزیع شده امکان استفاده از منابع مختلف موجود در شبکه را میسر می کنند.

از سوی دیگر تحول چشم گیری نیز در صنعت شبکه های کامپیوتری به وجود آمده است. امروزه هزاران کامپیوتر می توانند از طریق یک شبکه LAN به یکدیگر متصل شده و در کسری از ثانیه داده های خود را با یکدیگر مبادله کنند. یا به کمک یک شبکه WAN میلیون ها کامپیوتر از سرتاسر دنیا قادر به تبادل داده با یکدیگر هستند.با توجه به این تحولات، امروزه تصور مجموعه ای از کامپیوتر ها که به صورت یک کامپیوتر یکپارچه اما با قدرت بسیار بیشتر ،چندان بعید نیست.

فصل اول

 مفاهیم اولیه

1-1. سیستم های توزیع شده

در حالت کلی تعریف زیر را می توان برای یک سیستم توزیع شده ارائه کرد:

یک سیستم توزیع شده مجموعه ای از کامپیوتر های مستقل می باشند که برای انجام کارهای مختلف با یکدیگر همکاری کرده و به صورت یک سیستم واحد و قدرتمند برای کاربران دیده می شوند.

 مزایا و معایب سیستم های توزیع شده

سیستم های کامپیوتری توزیع شده به وسیله پژوهشگران به طور گسترده مطالعه شده و مزایای زیادی در رابطه با آن گزارش شده است. به عنوان مثال پیشرفت های اخیر در تکنولوژی شبکه ها و پردازه ها، دستیابی به مزایای زیر را امکان پذیر ساخته است :

  1. افزایش کارایی: وجود چندین کامپیوتر در یک سیستم توزیع شده به برنامه کاربردی امکان پردازش و اجرا به صورت موازی را می دهد بنابراین سرعت اجرای برنامه کاربردی و کارایی سیستم افزایش می یابد برای مثال کارایی یک سیستم فایل می تواند به وسیله تکرار توابع آن بر روی چندین کامپیوتر بیشتر شود. تکرار سیستم فایل باعث می شود چندین برنامه کاربردی به سیستم فایل به صورت موازی دسترسی داشته باشند بعلاوه تکرار فایل ها ترافیک شبکه را بین سایت های مختلف توزیع کرده و تاخیر ناشی از صف بندی را کاهش می دهد.
  2. به اشتراک گذاری منابع: به اشتراک گذاری منابع مقرون به صرفه بودن و امکان دسترسی کارا به منابع سیستم را فراهم میکند یعنی کاربران در عرض چند دقیقه می توانند منابع سخت افزاری و نرم افزاری گران و خاص منظوره را مانند سرورهای پایگاه داده ها، سرورهای پردازش، سرورهای پرینترو… را به اشتراک بگذارند.
  3. افزایش توسعه پذیری: سیستم های توزیع شده می توانند به صورت سازگار با محیط طراحی شوند مثلا برای یک محاسبه سنگین، سیستم خود را به گونه ای سازمان دهی می کند که شامل تعداد زیادی از کامپیوترها و منابع باشد در صورتیکه برای پردازشهای کوچکتر فقط از چند منبع استفاده خواهد کرد بعلاوه در صورت لزوم محدودیتهائی مانند ظرفیت سیستم فایل و قدرت محاسبتی سیستم را می توان به سادگی با اضافه کردن کامپیوترها یا سرورهای بیشتر افزایش یابد.
  4. افزایش قابلیت اطمینان، دسترسی راحت و تحمل پذیری خطا: وجود چندین منبع ذخیره سازی و محاسباتی در یک سیستم، ساخت سیستم توزیع شدۀ تحمل پذیر خطا را مقرون به صرفه و جالب می کند.

سیستم می تواند خرابی یک کامپیوتر را به وسیله تخصیص وظایف آن به کامپیوتر دیگر تحمل کند بعلاوه سیستم می تواند به وسیله تکرار توابع یا منابع، در کامپیوتر های مختلف، خطر از دست دادن آنها را برطرف کند.

  1. مقرون به صرفه گی: کارایی کامپیوترها تقریباً هر دو سال یک بار دو برابر شده، در صورتیکه قیمت آنها در دهه اخیر تقریبا در هر سال نصف شده است بعلاوه شبکه هایی با سرعت بسیار زیاد نیز به وجود آمده است که ساخت سیستم های توزیع شده را نسبت به سیستم های موازی بر اساس نرخ قیمت به کارایی مقرون به صرفه تر کرده است.

البته این پیشرفت ها به آسانی به دست نمی آید زیرا طراحی یک سیستم توزیع شده همه منظوره بسیار مشکلتر از طراحی یک سیستم متمرکز است. در طراحی یک سیستم توزیع شد چند منظوره تعداد زیادی از گزینه ها و مسائل باید در نظر گرفته شوند که پیکر بندی فیزیکی سیستم ،خصوصیات بستر محاسباتی، شبکه ارتباطی، زمان بندی وظایف، سیاست های تخصیص منابع و مکانیزم کنترل آن ها، ایجاد سازگاری و کنترل همروندی و امنیت، نمونه هایی از آنهاست. این مشکلات را می توان ناشی از عدم بلوغ سیستم های توزیع شده، ناهماهنگی و رفتار مستقل کامپیوترها، پراکندگی جغرافیایی منابع سیستم و… دانست. این مشکلات در زیر خلاصه شده اند:

  1. فهم کامل تئوری محاسبات توزیع شده هنوز صورت نگرفته است. این موضوع نسبتاً جدید بوده و ما، قبل از اینکه به تئوری طراحی چنین سیستم های پردازشی تسلط پیدا کنیم باید تعداد زیادی سیستم توزیع شده معتبر با اهداف معمول و معماری های متفاوت را طراحی و آزمایش کنیم.
  2. رفتار ناهماهنگ و مستقل منابع سیستم یا اجزای آن، کنترل نرم افزار را پیچیده می کند در حالیکه این امر در یک سیستم متمرکز محاسباتی کار ساده ای است. اگر کامپیوترها به صورت مشتری-خدمتگذار سازماندهی شوند، کنترل نرم افزار ساده تر و رفتار آن قابل پیش بینی تر خواهد بود با این حال این ساختار با یکی از مشخصات سیستم های توزیع شده که همان مستقل بودن کامپیوترها و اجرای آسنکرونن می باشد در تناقض است.
  3. استفاده از شبکه های ارتباطی برای اتصال کامپیوترها به یکدیگر مرحله دیگری از پیچیده گی را معرفی می کند. طراحان سیستم توزیع شده نه تنها باید در طراحی سیستم های کامپیوتری و سیستم های نرم افزاری و سرویس ها ماهر باشد بلکه در طراحی شبکه ارتباطی مطمئن، ایجاد همزمانی ، سازگاری و برطرف کردن خطاها در یک سیستم پیچیده از کامپیوترهای ناهمگن و پراکنده از نظر جغرافیایی نیز تسلط داشته باشند. تعداد منابع استفاده شده در چنین سیستمهائی می تواند دهها، صدها و یا حتی هزاران منبع محاسباتی و ذخیره سازی باشد.

یک سیستم توزیع شده حداقل بایداهداف زیر را برآورده کند:     1- به سادگی منابع موجود در شبکه را در اختیار کاربران قرار دهد.

2- کاربران نباید از این موضوع که منبع مورد استفاده آنها در کامپیوتر دیگری در شبکه قرار دارد مطلع شوند.(شفافیت)   3- سیستم توزیع شده باید باز باشد.

4- سیستم توزیع شده باید مقیاس پذیر باشد.

شفافیت می تواند در جنبه های مختلف سیستم های توزیع شده مطرح شود.

  • دستیابی: پنهان سازی تفاوت در ذخیره سازی داده ها و نحوه دسترسی به یک منبع
  • محل : پنهان سازی مکان واقعی منابع در شبکه
  • مهاجرت: پنهان سازی تغییر محل منابع یعنی در صورت تغییر محل منبع، کاربران از این امر مطلع نگردند.
  • تجدید محل: پنهان سازی مهاجرت یک منبع در حال استفاده، از کاربر آن.
  • تکرار: پنهان سازی تکرار منابع به گونه ای که کاربران از این امر مطلع نگردند.
  • همروندی: پنهان سازی استفاده اشتراکی از یک منبع بین چند کابر. به گونه ای که کاربران احساس می کنند تنها استفاده کننده منبع می باشند.
  • خطا: پنهان سازی بروز خطا در یک منبع و برطرف سازی آن از دید کاربران. به عبارتی کاربران از بروز خطا در قسمتی از سیستم و برطرف سازی آن آگاه نمی شوند.
  • یکی از اهداف دیگر سیستم های توریع شده مخفی کردن این واقعیت از دید کاربران است که منابع مورد استفاده آنها در بین کامپیوتر های مختلف توزیع شده است. سیستمی که بتواند این مخفی سازی را به خوبی انجام دهد شفافیت گفته می شود.

 

مسائل مربوط به مقیاس پذیری نیز تا حد زیادی به میزان مولفه های متمرکز سیستم بستگی دارد. هر چه این میزان زیاد باشد مقیاس پذیر کردن سیستم مشکل تر خواهد بود.

با وجود این مشکلات موفقیت های محدودی در طراحی سیستم های توزیع شده با اهداف خاص مانند سیستم های بانکداری، سیستم حمل و نقل و انبارداری توزیع شده به دست آمده است. با این حال طراحی یک سیستم توزیع شده مطمئن همه منظوره که هم مزایای سیستم های متمرکز (استفاده و مدیریت ساده ویکپارچگی) و هم مزایای سیستم های شبکه ای (وجود ارتباطات،توسعه پذیری ، قیمت وکارائی) را دارد هنوز هم یک کار چالش انگیز است.

  •  انگیزش

     ایده شی گرایی از محبوب ترین روش های تولید نرم افزار است,که برای طراحی، توصیف و پیاده سازی سیستم های توزیع شده نیز بسیار سودمند است. مزیت این روش برای ساخت سیستم های توزیع شده این است که میتوان کدهای برنامه را در اشیا کپسوله کرده و سپس اشیا را به ماژول های مستقلی دسته بندی کرد و هر ماژول را بر روی یک منبع محاسباتی مجزا مستقر نمود. با این حال به عنوان یک اصل تولید یک برنامه توزیع شده، همواره سخت تر از ایجاد یک برنامه غیر توزیع شده است, که عملکردی معادل آن را دارد. به طوری که ساخت یک سیستم توزیع شده میتواند به یک کار خسته کننده و مملو از خطا تبدیل شود. با وجود اینکه امروزه ابزار ها و تکنیک های بسیار مفیدی مانند RPC ، CORBA و DCOM جهت ساخت سیستم های توزیع شده با کارایی بالا ارائه گشته اند، اما در حالت کلی فرایند ساخت یک سیستم توزیع شده از بدو پیدایش سیستم های توزیع شده تغیر اندکی کرده است : برنامه نویس برنامه را به ماژول های مختلفی تقسیم کرده، هر ماژول را به صورت مجزا پیاده سازی کرده و امکان برقراری ارتباط بین آنها را ایجاد می کند و در نهایت هر ماژول را در یک کامپیوتر مستقل در شبکه مستقر میکند. برخی از چالش هایی که در رابطه با ساخت سیستم های توزیع شده پیش روی یک برنامه نویس یا طراح نرم افزار می تواند قرار گیرد عبارت اند از:

  • پیچیدگی طراحی و پیاده سازی سیستم های توزیع شده.
  • پیدایش نوع جدیدی از خطاها مانند خطاهای ناشی ازهمروندی و همگام سازی پردازه ها.
  • مشکلات ناشی از سازگاری داده ها در کل سیستم.
  • موازنه کار بارگذاری شده در منابع موجود در سیستم.

     لذا اتوماتیک سازی فرایند تبدیل یک برنامه ترتیبی به یک برنامه قابل اجرا برروی یک محیط محاسباتی توزیع شده همواره به عنوان یک مساله باز تحقیقاتی مطرح بوده است. امروزه شبکه‌های کامپیوتری به واسطه پیشرفت تکنولوژی ارتباطات توانسته‌اند جایگزین کامپیوترهای گران قیمت موازی­­گردند.

هنگام طراحی برنامه های توزیع شده برای مسائل کاربردی، اغلب الگوریتم ها به مجموعه ای از کارهای کلاسیک، و تکراری تجزیه می شوند. از جمله کارهای بنیادی که در اغلب الگوریتم ها دیده می شوند می توان به انتشار اطلاعات به تمام گره ها،ارسال پیام به برخی از گره ها، سنکرون سازی عمومی تمام پردازه ها، شروع اجرای برخی رویداد ها، ضمن اجرای پردازه ها، یا انجام محاسبه ای که داده های مورد نیاز آن بین گره های مختلف توزیع شده، اشاره کرد. این عملیات ها معمولا با تبادل پیام بین پردازه ها انجام می گیرند.با طراحی زیر ساختی که بتواند این primitive ها را در اختیار برنامه های ترتیبی قرار دهد می توان نسخه توزیع شده ای از یک برنامه ترتِبی تولید کرد.

یکی از چالشهای مطرح در توزیع کد، میزان تسریع حاصل از توزیع می‌باشد برنامه های علمی نیاز به کامپیوترهایی با توان محاسباتی بالا دارند. این نوع کامپیوترها معمولا بسیار گران قیمت میباشند. امروزه سعی برآن است تا بجای استفاده از سوپرکامپیوترها از شبکه ای با کامپیوترهای ارزان قیمت برای حل مسائل علمی استفاده شود. هدف ما توزیع کد برنامه ها جهت حصول حداکثر میزان همروندی در اجرای کد است در صورت موفقیت مسلما زمان اجرایی به حداقل ممکن کاهش خواهد یافت.

 

 متن کامل را می توانید دانلود نمائید چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)

ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

همراه با تمام ضمائم (پیوست ها) با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود است

 

 

با فرمت ورد word

 

 

 

فایل ها برای اینکه حجم آنها پایینتر شود وراحتتر دانلود شوند با فرمت rar یا zip فشرده شده اند

برای دریافت پسورد فایل اینجا کلیک کنید

دانلود کامل پایان نامه ارائه یک الگوریتم خوشه بندی برای توزیع مناسب کار و ارزیابی کارایی آن