Optimalizációs módszerek a felhő számítástechnikában és kommunikációban (OTKA K108947 pályázat)

Témavezető: Dr. Recski András

Résztvevők: Babarczi Péter, Buza Krisztián Antal, Csehi Csongor György, Csizmadia Balázs, Friedl Katalin, Gulyás András, Gyimóthi László, Hosszú Éva, Katona Gyula, Kabódi László, Kiss Attila, Körösi Attila, Mann Zoltán Ádám, Pach Péter Pál, Papp László, Pasic Alija, Rétvári Gábor, Schlotter Ildikó, Soltész Dániel, Szabó Péter, Szeszlér Dávid, Tapolcai János, Tóth Ágnes, Varga Kitti, Vass Balázs, Wiener Gábor

A jövőben, a felhasználói adatok kezelését döntően felhő alapú (cloud) rendszerekben fogják végezni. Ehhez nagyméretű adatokat kell tárolni, mozgatni és feldolgozni. Ehhez ú. n. adatközpontokat építenek, amelyek rengeteg számítógép összekötésével óriási számítási kapacitást és komoly kommunikációs infrastruktúrát képeznek. Ahhoz, hogy az adatközpontok a növekvő felhasználói igényeknek eleget tudjanak tenni, a tervezésnél két fontos tervezési irányelvet kell követni: a skálázható növekedést és energiahatékonyságot. A kutatási projekt során elsősorban az adatközpont kommunikációs hálózatának skálázható növekedését vizsgáljuk. Ehhez főként kombinatorikában kidolgozott gráf bővítési módszereket kutatunk azzal a céllal, hogy a jelenlegi eszközökből hatékonyabb adatközpontokat építsünk.

A kombinatorikus optimalizálás a diszkrét matematika struktúráit és az elméleti számítástudomány eszközeit alkalmazza olyan problémák számítástechnikailag hatékony megoldására, melyek az összes eset gépies végigpróbálásával még a leggyorsabb számítógépekkel is évmilliókig tartanának a feladatok nagy mérete, komplexitása miatt. Csoportunk 1991 óta öt pályázási ciklus során több, mint 350 közleményt publikált ezen technikákról és műszaki alkalmazásaikról, ezt a tevékenységet kívánjuk folytatni elsősorban olyan mérnöki problémákhoz keresve a választ, mint skálázható adatközpontok és a felhő számára kialakított dinamikusan konfigurálható kommunikációs infrastruktúrák tervezése. A gyakorlati hátteret a MTA-BME Jövő Internet kutató csoport adja.

Skálázható és energia-hatékony adatközpont architektúrák vizsgálata, új címzési és védelmi módszerek kidolgozása dinamikus optikai transzport hálózatokban. Ez a felhő számítástechnika kommunikációs hátteréhez kapcsolódik, kombinatorikus optimalizálási módszerek alkalmazásával. Ilyen kérdések pl.:

(1) Hogyan tervezzünk adatközpont és felhő kommunikációs infrastruktúrákat egyre több felhasználó kiszolgálására? Információelméleti és gráfelméleti megközelítést alkalmazunk a hatékony csatorna és sávszélesség-kihasználás érdekében.Ehhez pl. gráfok összefüggőségi és színezési kérdéseivel, megbízható hálózat és összeköttetés optimalizálással foglalkozunk.

(2) Hogyan tudjuk az új útvonal-választási paradigmákat és a zöld-energia felhasználásra vonatkozó preferenciákat figyelembe venni a dinamikus útvonalválasztásban? Vizsgáljuk az anycast és többesadás zöld-energia szerinti útvonal-választási algoritmusokat a felhő hálózatokban.Ehhez gráfok és hipergráfok Hamilton-tulajdonságait kutatjuk.

(3) Hogyan tudjuk az adatközpont architektúrákat újratervezni (a létező eszközökkel vagy minimális beruházással) az energiafelhasználás csökkentésére és/vagy az egyre több felhő felhasználó számára a visszamenőleges kompatibilitás megőrzésével? Ehhez új adatközpont architektúrákat dolgozunk ki és hozzájuk skálázható alkalmazásokat, amelyek komplex ütemezési feladatok.Emellett multimédia szerverek esetén új tervezési paradigmákat is kidolgozunk.

(4) Vizsgáljuk a felhők tervezéséhez kapcsolódó algoritmusok számítási bonyolultságát és e feladatok átlagos lépésszámára elméleti és empirikus becslést adunk. Hatékony feladattömörítési algoritmusokat is vizsgálunk kernelizációs algoritmusok segítségével.

A fenti kombinatorikus optimalizálási módszerek alkalmazásával a fő célunk új eredmények elérése a felhő számítástechnikában és a kommunikáció következő területein:

(1) Skálázhatóan bővíthető adatközpont hálózati topológiák, amelyekben a kommunikációs utak rövidek, tetszőleges két csomópont között több független út van, valamint nincsenek túlterhelt linkek.

(2) Az útválasztók és adatközpont architektúrák tervezése során felmerülő optimalizációs problémák megoldásával (pl.: hatékonyabb elosztott multimedia szerverek tervezése, feladatok ütemezése ismeretlen hosszal) alacsonyabb energiafogyasztást és gyorsabb adatközpont válaszidőt érhetünk el.

(3) Az egyes útvonal-választási, ütemezési, hiba menedzsment, stb. problémák bonyolultságának vizsgálata mind a legrosszabb, mind a tipikus esetekben az olyan dinamikus alkalmazási környezetekben, mint például a felhők.

(4) Az új címzési módszereknek mind a felhő alkalmazások megkülönböztetésében, mind a hibák utáni gyors helyreállításban kiemelkedően fontos jelentősége van.

Emellett remélhetőleg a felhasznált diszkrét matematikai eszközök elméletét is gazdagítani fogjuk új eredményekkel, így különösen NP-nehéz problémák polinom időben megoldható speciális eseteinek feltárásában. Ezek a felhő alapú számítástechnika mellett más matematikai területeken is alkalmazhatóak (ütemezési és szállítási problémák, logikai programozási feladatok, a stabil párosítások, közgazdasági alkalmazásai stb).

Zárójelentés (2016 szeptember)

Jelentés(2015 szeptember)

Jelentés (2014 szeptember)