Alchemi Framework - Khả năng xây dựng môi trường và phát triển các ứng dụng tính toán lưới

UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.2 (2012) 
56 
ALCHEMI FRAMEWORK - KHẢ NĂNG XÂY DỰNG MÔI TRƯỜNG 
VÀ PHÁT TRIỂN CÁC ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN LƯỚI 
Nguyễn Thành Thủy* 
TÓM TẮT 
Từ tính toán lưới (TTL – Grid Computing) đến điện toán mây (Cloud Computing) ngày 
nay không còn là một giải pháp hàn lâm hay thử nghiệm. TTL cho phép ảo hóa các chức năng 
tính toán phân tán cũng như các nguồn xử lý, băng thông mạng và khả năng lưu trữ. TTL cho 
phép người sử dụng và các ứng dụng truy cập thông suốt vào các tính năng điện toán rộng lớn 
[1]. Với những tiến bộ quan trọng về phần mềm triển khai, người ta hy vọng TTL sẽ đem sức 
mạnh của một siêu máy tính tới tất cả người dùng PC đơn lẻ trên thế giới. Trong bài báo này, 
chúng tôi giới thiệu các khả năng xây dựng nền tảng cho môi trường TTL, các kỹ thuật phát 
triển ứng dụng và triển khai lưới tính toán trên nền NET-Base Alchemi Framework. 
Từ khóa: alchemi framework, tính toán lưới, điện toán mây, dịch vụ lưới, dịch vụ web 
1. Đặt vấn đề 
 Xây dựng một lưới tính toán có thể đơn giản như việc cho phép một số lượng 
nhỏ PC hoặc server hoặc mạng lưu trữ, tận dụng những khả năng chưa được khai thác 
hết. Từ một quy mô triển khai ban đầu nhỏ, người sử dụng có thể dần dần hoặc lập tức 
mở rộng lưới tùy theo nhu cầu của doanh nghiệp. Trong đó, cần có một hạ tầng cung 
cấp các công cụ mềm để xây dựng nền tảng cho lưới tính toán và các ứng dụng khác, 
dựa trên công nghệ Grid một cách dễ dàng. Nó bao gồm các module công cụ, mỗi công 
cụ định nghĩa một giao diện phục vụ cấp cao và cung cấp nhiều toán tử cấp thấp, có thể 
thực hiện được trên những môi trường khác nhau. [4] 
Trong bài báo này, chúng tôi sẽ giới thiệu các khả năng xây dựng nền tảng cho 
môi trường TTL, các kỹ thuật phát triển ứng dụng và triển khai trên lưới tính toán trên 
nền .NET-Base Alchemi Framework. 
2. Tổng quan về Alchemi Framework 
 Alchemi framework được phát triển bởi trường Đại học Melbourne (Australia). 
Alchemi là một .NET-based framework cung cấp các giải pháp để xây dựng môi trường 
lưới và phát triển các ứng dụng thực thi trên lưới. Alchemi framework cho phép xây 
dựng ứng dụng lưới trên nền tảng công nghệ .NET của Microsoft, hỗ trợ ngôn ngữ lập 
trình hướng đối tượng C#/VB.NET, trên hạ tầng mạng máy tính ngang hàng (peer-to-
peer). Alchemi cho phép khai thác hiệu năng nhàn rỗi của các máy tính để bàn (desktop 
grid environment) chạy trên hệ điều hành Microsoft Windows. [3] 
TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ 2 (2012) 
57 
 Alchemi framework 
cho phép xây dựng các ứng 
dụng lưới một cách linh hoạt, 
trên nền tảng hướng đối 
tượng, cung cấp thêm một mô 
hình tập tin dựa trên công 
việc (file-based job model). 
Hỗ trợ Cross-platform thông 
qua giao diện web, cung cấp 
khả năng tùy biến linh hoạt 
cho phép xử lý “chủ động” 
(dedicated) hay “bị động” 
(non-dedicated) ở các nút 
lưới [2]. 
 Kiến trúc lớp của 
Alchemi cho môi trường tính 
toán lưới máy tính để bàn 
(Desktop grid computing 
environment) được hiển thị trong hình 1. Alchemi cho phép mô hình chủ - khách 
(master - worker) được tính toán song song, trong đó một thành phần trung tâm là đơn 
vị độc lập được thực hiện và quản lý song song. Trong Alchemi, đơn vị thực hiện song 
song được gọi là “luồng lưới” (grid thread) và có các hướng dẫn để được thực thi trên 
một nút lưới, được gọi là “Manager”. 
2.1. Mô hình ứng dụng Lưới của Alchemi 
 Alchemi xử lý các yêu cầu chức năng và dữ liệu một cách song song. Cả hai đều 
được hỗ trợ bởi hai thành phần ứng dụng song song: mô hình luồng lưới (grid thread 
model) và mô hình lưới công việc (grid job model). 
2.1.1. Mô hình luồng lưới (grid thread model) 
 Mỗi luồng lưới là các đơn vị nguyên tử được thực hiện song song và độc lập, với 
nhiều luồng lưới là một ứng dụng lưới. Hai lớp trung tâm của Alchemi .NET API Là 
GThread và GApplication, đại diện cho một luồng lưới và ứng dụng lưới tương ứng. 
 Có hai thành phần cơ bản trong một ứng dụng lưới của Alchemi, đó là: 
- "Remote code": thực hiện mã nguồn từ xa. 
- "Local code": thực hiện mã nguồn trên máy cục bộ. 
2.1.2. Mô hình lưới công việc (Grid Job Model) 
 Việc triển khai lưới truyền thống đã được thực hiện ở một mức độ cao, và sự ảo 
hóa của các thiết bị, trong đó một đơn vị công việc nhỏ nhất thực hiện song song là một 
tiến trình. Trong mô hình này, một đơn vị làm việc thường được mô tả cụ thể bởi một 
câu lệnh, các tập dữ liệu đầu vào và các tập dữ liệu đầu ra. Trong Alchemi, một đơn vị 
làm việc được gọi là một “công việc” (job), với nhiều công việc tạo thành một "nhiệm 
Hình 1. Kiến trúc phân lớp cho môi trường lưới máy tính 
để bàn của Alchemi 
UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.2 (2012) 
58 
vụ" (task) [3]. 
2.2. Các thành phần phân tán trong Alchemi 
 Alchemi gồm có 4 thành phần phân tán chính, tham gia vào việc xây dựng lưới 
tính toán và thực hiện các ứng dụng 
lưới, bao gồm: Manager (M), 
Executor (E), User (U) & Cross-
Platform Manager (X). 
 Thành phần Manager được 
triển khai ở máy chủ trung tâm, cung 
cấp các dịch vụ liên quan đến việc: 
tiếp nhận các yêu cầu TTL, thực thi 
các ứng dụng lưới và quản trị các 
luồng tính toán. Manager tiếp nhận 
các yêu cầu tính toán từ User, tổ chức lập lịch và điều phối các luồng xử lý đến các nút 
lưới (Executor) và trả kết quả về cho User. 
 Thành phần Executor được triển khai trên các nút lưới, có chức năng tiếp nhận 
các luồng lưới được yêu cầu từ Manager, xử lý và trả kết quả về lại cho Manager. 
Thành phần User là nơi tiêu thụ các ứng dụng lưới của người dùng đầu cuối, các 
yêu cầu này sẽ được User gửi đi và nhận kết quả về từ Manager. 
Thành phần Cross-Platform Manager cung cấp các dịch vụ để kiểm soát thành 
phần Manager thông qua giao diện web, bao gồm: kích hoạt dịch vụ lưới, quản trị việc 
thực hiện các công việc lưới, 
2.3. Bảo mật trong Alchemi 
Bảo mật đóng một vai trò then chốt trong một môi trường không an toàn như 
Internet. Hai khía cạnh của bảo mật được giải quyết bởi Alchemi là: (a) cho phép người 
dùng thực hiện các hoạt 
động ủy quyền và (b) cho 
phép ủy quyền hoặc người 
dùng không được ủy quyền 
để đóng góp nguồn lực. [5] 
Bằng cách sử dụng 
vai trò ủy quyền, chỉ cho 
phép người dùng thực hiện 
các hoạt động mà họ được 
phép làm. Mọi hoạt động 
bảo mật nhạy cảm tại Manager được bảo hộ bằng cách này. Manager có thể được cấu 
hình để cho phép một Executer là vô danh hoặc ẩn danh. 
 Thông tin thực thi bảo mật của các nhóm và người dùng được duy trì trong cơ sở 
dữ liệu của Alchemi, được tổ chức trong các thực thể: PRM, GRP và USR. Mỗi hoạt 
Hình 2. Các thành phần phân tán của Alchemi 
U X
M
E E E E E
Custom Grid
Middleware
U
M
E
X
Nút User
Nút Manager
Nút Executor
Nút Cross 
Platform Manager
Hình 3. Cơ chế bảo mật trong 
Alchemi 
TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ 2 (2012) 
59 
động về quản lý và liên kết đều tuân theo các quy định sau: 
- ExecuteThread: Hoạt động liên quan đến thực hiện luồng, ví dụ như: nhận một 
luồng để thực thi, trả về kết quả. 
- ManageOwnApp: Hoạt động liên quan đến quyền sở hữu của một ứng dụng cụ thể, 
ví dụ như tạo ra một ứng dụng, nhận về kết quả đã hoàn thành. 
- ManageAllApps: Hoạt động liên quan đến quyền sở hữu của tất cả các ứng dụng 
trong hệ thống, ví dụ như: nhận về một danh sách tất cả các ứng dụng cùng với số liệu 
thống kê. 
- ManageUsers: Hoạt động liên quan đến quản lý người dùng, ví dụ như việc thêm 
người dùng, thay đổi mật khẩu, thay đổi thành viên nhóm,  
 Khía cạnh thứ hai của bảo mật mà Alchemi cho phép, là bảo vệ Executer từ các 
mã độc hại. Bằng cách tạo ra một “hộp kín” là môi trường để Executer thực thi các 
luồng lưới. Môi trường này có thể được định nghĩa bởi người sử dụng. 
2.3.1. Cài đặt chương trình 
Một số phương thức chính được sử dụng trong chương trình thực nghiệm: 
• Init(): Phương thức khởi tạo dịch vụ lưới, thực hiện các kết nối vào lưới dịch vụ. 
• Start(): Phương thức kích hoạt các luồng lưới trên nút Manager. 
• App_ThreadFinish(): Phương thức bắt sự kiện (Event) khi một luồng lưới được thực 
hiện hoàn thành. Ở đây, chúng ta có thể đặt các phương thức tương ứng thực hiện việc tiêu 
thụ các kết quả xử lý của luồng lưới. 
• App_ApplicationFinish(): Phương thức bắt sự kiện khi một ứng dụng lưới được thực 
hiện hoàn thành. Ở đây, chúng ta có thể đặt các phương thức tương ứng thực hiện việc giải 
phóng tài nguyên lưới có huy động trong các luồng đã phát sinh. 
StartThread()
GApplicationUser GManager
Start()
ApplicationID: NewApplication()
Init()
Cài đặt các ràng buộc
StartThread()
ScheduleThread()
Khởi tạo các luồng lưới
GetFinishThreads()
ThreadFinished()
ApplicationFinished()
Luồng lưới đang thực hiện
Hình 4. Biểu đồ hoạt động chính của hệ thống 
UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.2 (2012) 
60 
3. Xây dựng ứng dụng lưới trên nền Alchemi Framework 
3.1. Cài đặt và triển khai môi trường lưới 
Bộ cài đặt và các tài liệu hướng dẫn cấu hình Alchemi được phân phối miễn phí 
tại trang  Việc cài đặt và cấu hình diễn ra khá đơn 
giản. Bộ cài đặt gồm 2 gói, gói Alchemi.ManagerExecSetup.msi dành cho Manager 
và Alchemi.ExecutorExecSetup.msi dành cho Executor. 
3.2. Phát triển ứng dụng trên lưới 
3.2.1. Lựa chọn bài toán: 
 Để đánh giá tính khả thi của Alchemi trong việc xây dựng ứng dụng lưới tính 
toán, chúng ta cần lựa chọn bài toán có độ phức tạp lớn đòi hỏi hiệu năng tính toán cao 
của hệ thống, nhưng không quá tốn kém về chi phí truyền thông. Bài toán được lựa 
chọn là sinh ngẫu nhiên n số nguyên tố (SNT) siêu mạnh 1024 Bit [6]. Để khai thác tối 
đa ưu điểm của lưới, thuật toán cần được song song hóa. 
3.2.2. Phương pháp thực nghiệm 
 Đầu tiên chúng tôi cho thử nghiệm bài toán trên một PC, lần lượt cho thực hiện 
với thuật toán xử lý tuần tự và 
thuật toán đã được song song 
hóa. Sau đó triển khai trên lưới 
với số lượng số n tăng dần, ghi 
nhận kết quả làm cơ sở để đánh 
giá tính khả thi. 
 Trong đó, thuật toán sinh 
SNT siêu mạnh được song song 
hóa bằng chiến lược song song 
hóa kết quả. Tiến trình cha khởi 
tạo công việc kiểm tra số lượng 
SNT đã được sinh ra, khởi tạo 
các tiến trình con, mỗi tiến trình 
con thực hiện sinh SNT siêu mạnh và trả kết 
quả về cho tiến trình cha. Trong khi vẫn chưa 
đủ số n thì tiếp tục lặp lại công việc trên. 
3.2.3. Môi trường thực nghiệm 
 Tất cả PC được sử dụng trong thực 
nghiệm có cấu hình đồng bộ: CPU Intel 
Pentium Dual-Core 3.00 GHz, 2 MB Cache, 
2 cores, 2 threads, DDR3 2GB/1333Hz. 
Được kết nối trên mô hình mạng LAN. 
3.2.4. Phân tích kết quả thực nghiệm Hình 6. Biểu đồ tương quan giữa thời 
gian xử lý với số lượng SNT được sinh 
Hình 5. Giao diện chính của chương trình thực nghiệm 
TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ 2 (2012) 
61 
 Kết quả thực nghiệm được biểu diễn trong biểu đồ ở hình 6, phản ánh mối tương 
quan giữa số lượng SNT phát sinh và thời gian xử lý (đơn vị giây), lần lượt được xử lý 
với thuật toán tuần tự, thuật toán song song trên 1 PC và trên lưới tính toán. 
 Qua biểu đồ cho thấy, khi thực hiện với thuật toán tuần tự trên 1 PC, thời gian 
xử lý của hệ thống khi sinh SNT siêu mạnh tăng dần theo số lượng lệnh phát sinh. Thời 
gian trung bình để xử lý lệnh cũng tăng dần, năng lực xử lý của hệ thống giảm dần. Ta 
thấy xuất hiện tình trạng quá tải của hệ thống khi số lượng giao dịch tăng lên. 
 Hiện tượng trên cũng xuất hiện khi thực nghiệm với thuật toán song song trên 1 
PC nhưng hiện tượng suy giảm nhanh của năng lực xử lý xuất hiện chậm hơn so với xử 
lý trên thuật toán tuần tự. 
 Khi sử dụng lưới tính toán để xử lý, thời gian xử lý của hệ thống giảm kéo theo 
thời gian trung bình để xử lý lệnh giảm rõ rệt, dấu hiệu quá tải chưa thấy xuất hiện trong 
hệ thống. Tuy nhiên, khi huy động càng nhiều nút lưới trong lưới tính toán thì mức độ 
cải thiện về thời gian xử lý vẫn không đáng kể, nguyên nhân ở đây là do chi phí đường 
truyền, chi phí xử lý các nghiệp vụ phân luồng và lập lịch, của nút Manager cũng sẽ 
tăng khi có thêm nhiều nút lưới trong lưới tính toán. 
4. Kết luận 
 Những mô hình tính toán gần đây cũng tiếp cận đến cách khai thác phần mềm, 
khai thác nền tảng như một dịch vụ, giải pháp máy chủ ảo, ... và đã chuyển dần sang mô 
hình điện toán mây. Việc nghiên cứu và ứng dụng các mô hình tính toán mới hiện đang 
nằm trong chiến lượt phát triển CNTT của nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. 
 Trong bài báo này, chúng tôi đã giới thiệu công cụ Alchemi Framework, dễ dàng 
cho trong việc triển khai môi trường và phát triển các ứng dụng tính toán lưới. Alchemi 
không yêu cầu cấu hình của hệ thống quá phức tạp, hỗ trợ nền tảng .NET, ứng dụng lưới 
có thể được phát triển trên các ngôn ngữ C#/VB.NET, đặc biệt hoạt động tốt trên nền 
Microsoft Windows. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Ahmar Abbas, Grid Computing: A Practical Guide to Technology and 
Applications.Ian Foster, What Is The Grid? A Three Point Checklist, Gridtoday. 
July 2002. 
[2] Akshay Luther, Rajkumar Buyya, Rajiv Ranjan, and Srikumar Venugopal, 
Alchemi: A .NET-based Grid Computing Framework and its Integration into 
Global Grids. 
[3] Akshay Luther, Rajkumar Buyya, Rajiv Ranjan, and Srikumar Venugopal. Peer-to-
Peer Grid Computing and a .NET-based Alchemi Framework. 
[4] Ian Foster, Carl Kesselman, Jeffrey Nick, Steve Tuecke, Grid Services for 
Distributed System Integration, Computer. June 2002. 
UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.2 (2012) 
62 
[5] Krishna Nadiminti, Akshay Luther, Rajkumar Buyya, Alchemi: A .NET-based 
Enterprise Grid System and Framework. 
[6] Nguyễn Văn Phương, Vai trò của số nguyên tố siêu mạnh và việc sinh ra chúng. 
Luận án tiến sĩ, 2008. 
ALCHEMI FRAMEWORK – POSSIBILITY OF SETTING UP ENVIRONMENT 
AND DEVELOPING GRID COMPUTING APPLICATIONS 
Nguyen Thanh Thuy 
University of economics, The University of Da Nang 
ABSTRACT 
Grid Computing as well as Cloud Computing is not still an academic or pilot solution. 
Grid computing allows virtual ciphertext of distributed computing functions such as processing 
sources, network bandwidth and storage capacity. Users and applications are permitted to 
access enlarged computing functions smoothly. With advanced improvements of the deployed 
software, it is hoped that the power of super computers will be brought to everyone who uses 
PC. In this article, we will introduce possibilities of the foundation for Grid Computing 
environment, techniques for development of applications and deployment of Grid computing on 
NET-Base Alchemi Framework. 
Keywords: alchemi framework, grid computing, cloud computing, grid service, web 
service. 
* Nguyễn Thành Thủy, Email: thuynt.it@gmail.com, Trường Đại học Kinh tế, ĐHĐN