Çok işlemcili ağlarda paralel ayrık olay benzetimlerinin dağıtık işletim sistemi donanımı için anahtar-tabanlı yaklaşım
Switch-based approach for distributed operating system hardware of parallel discrete event simulaton in many processor network
Yazar: OSMAN VOLKAN KARACA
Danışman: PROF. DR. ALİ ZİYA ALKAR ; DOÇ. DR. KAYHAN MUSTAFA İMRE
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: FPGA = FPGA

Özet:
Paralel ayrık olay benzetimlerinde, benzetim zamanın ilerletilmesi ve dağıtılması ile birlikte yayıncı ve abone düğümler arası veri iletiminin en düşük gecikme ile yapılması tüm benzetimin performansının artırılması için yüksek öneme sahiptir. Bu çalışmada ortaya konulan ağ hızlandırıcı yardımıyla paralel ayrık olay benzetimlerinin performansının artırılması hedeflenmiştir. Paralel ayrık olay benzetim altyapısı olarak yüksek düzeyli mimari (HLA) kullanılmıştır. Benzetim performansını artırmak için HLA'nın koşum zaman altyapısı (RTI) aracılığı ile sunduğu zaman yönetimi (TM) ve veri dağıtım yönetimi (DDM) servislerinin gecikmelerinin düşürülmesine çalışılmıştır. Bu servislerin gecikmelerini düşürmek için TM servisinde kullanılan mümkün olan en büyük lojik zaman (GALT) ve DDM servisinde kullanılan eşleştirme algoritmasının, anahtar-tabanlı yaklaşım ile uygulaması gerçekleştirilmiştir. Bu yaklaşımda düğümlerden ağ anahtarına taşınan algoritmalar ile paket yönlendirme ve güncelleme işlemleri ağ trafiğini azaltacak şekilde şişman ağaç ağ topolojisinde gerçekleştirilmiştir. Sonuçta bir dağıtık işletim sistemi olarak görev yapan RTI'nın sunduğu TM ve DDM servisleri çok işlemcili ağda anahtar donanımına aktarılmıştır. Literatüre çok işlemcili şişman ağaç ağlarda paralel ayrık olay benzetimlerinin dağıtık işletim sistemi donanımı için anahtar-tabanlı bir yaklaşım eklenmiştir. 
Çalışma sonunda ortaya konulan akıllı anahtar (IS) ile konvansiyonel anahtar (CS), hesaplanan maliyet fonksiyonları ve paralel ayrık olay benzetici (PDES) üzerinde gerçekleştirilen benzetimler yardımıyla karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalarda düğüm sayısı 16, 54 ve 128 mesaj uzunluğu ise 64B ile 1024B arasında taranmıştır. Ağda trafik olmadığı durumda hesaplanan maliyet fonksiyonlarında, GALT algoritmasında %72'ye ve eşleştirme algoritmasında %19'a varan bir performans iyileşmesi IS ile sağlanmıştır. Ölçeklenebilir IS ile GALT algoritmasında iyileşme ağ boyutu ile artmaktadır. PDES üzerinde yapılan GALT ve eşleştirme algoritmalarının bir arada kullanıldığı senaryo testlerinde ise farklı trafik yükleri altında %53'e varan bir performans iyileşmesi IS yardımıyla sağlanmıştır. Elde edilen iyileşmeler yayın/abone oranın düşük olduğu küçük parçalı uygulamalarda artmaktadır. Ayrıca GALT algoritmasının iyimser eş zamanlama uygulamalarında ortaya çıkan ağda kalan geçiş mesajları problemi IS yardımıyla çözülmektedir. Böylece benzetim zamanı geri almalar ortadan kalkmakta, dolayısıyla da benzetim performansı iyileştirilmektedir. Ağda GALT ve Eşleştirme algoritmalarını hesaplayan, geçiş mesajı kalmasına izin vermeyen ve ölçeklenebilir IS sayesinde küçük parçalı paralel ayrık olay benzetimlerinin performansı artırılmıştır.

Abstract:
Time advancement and publish/subscribe message distribution with minimum latency has the utmost importance for the performance of parallel discrete event simulations. Parallel discrete event simulations performance improvement is aimed at the designed network accelerator. High Level Architecture (HLA) is used as a parallel discrete event simulation infrastructure. Time management (TM) and data distribution management (DDM) services are provided by run time infrastructure (RTI). The TM and DDM services' latency is improved to increase the simulation performance. TM service's greatest available logic time (GALT) and DDM service's matching algorithms' switch-based approach has been developed to improve these services' latency. GALT and matching algorithms are offloaded to the Ethernet switch with this approach. Packet forwarding and modification by reducing fat tree-based networks' traffic are implemented on the switch. So RTI, which behaves like distributed operating system, services are offloaded to the switch hardware in many processors network. This reveals distributed operating system hardware of parallel discrete event simulation for many processors on the fat tree network.  


Calculated cost functions and parallel discrete event simulator (PDES) results of the intelligent switch (IS) are compared with conventional switch (CS).  Node sizes of 16, 54, and 128 and message lengths between 64B to 1024B are swept during these comparisons. Calculated cost functions show that the GALT algorithm is improved by up to 72% and the matching algorithm is improved by up to 19% with IS under no traffic conditions. GALT algorithm improvement is increased with network size by scalable IS. PDES test reveals that scenarios using GALT and matching algorithms implemented on IS improves the simulation performance by up to 53% under different traffic loads. Performance improvements are increased for low publish/subscribe ratio likewise the fine-grained applications. At last but not least, the transient message problem revealed during GALT algorithm's optimistic synchronization implementation is solved with this study. Simulation performance is improved by removing the rollback operation. Scalable IS computes the GALT and matching algorithms in the network and also solves the transient message problem, helping to improve the performance of fine-grained parallel discrete event simulations.