Practical Parallel External Memory Algorithms via Simulation of Parallel Algorithms

This thesis introduces PEMS2, an improvement to PEMS (Parallel External Memory System). PEMS executes Bulk-Synchronous Parallel (BSP) algorithms in an External Memory (EM) context, enabling computation with very large data sets which exceed the size of main memory. Many parallel algorithms have been designed and implemented for Bulk-Synchronous Parallel models of computation. Such algorithms generally assume that the entire data set is stored in main memory at once. PEMS overcomes this limitation without requiring any modification to the algorithm by using disk space as memory for additional "virtual processors". Previous work has shown this to be a promising approach which scales well as computational resources (i.e. processors and disks) are added. However, the technique incurs significant overhead when compared with purpose-built EM algorithms. PEMS2 introduces refinements to the simulation process intended to reduce this overhead as well as the amount of disk space required to run the simulation. New functionality is also introduced, including asynchronous I/O and support for multi-core processors. Experimental results show that these changes significantly improve the runtime of the simulation. PEMS2 narrows the performance gap between simulated BSP algorithms and their hand-crafted EM counterparts, providing a practical system for using BSP algorithms with data sets which exceed the size of RAM

Proceedings of the Joint Automated Reasoning Workshop and Deduktionstreffen: As part of the Vienna Summer of Logic – IJCAR 23-24 July 2014

Preface For many years the British and the German automated reasoning communities have successfully run independent series of workshops for anybody working in the area of automated reasoning. Although open to the general public they addressed in the past primarily the British and the German communities, respectively. At the occasion of the Vienna Summer of Logic the two series have a joint event in Vienna as an IJCAR workshop. In the spirit of the two series there will be only informal proceedings with abstracts of the works presented. These are collected in this document. We have tried to maintain the informal open atmosphere of the two series and have welcomed in particular research students to present their work. We have solicited for all work related to automated reasoning and its applications with a particular interest in work-in-progress and the presentation of half-baked ideas. As in the previous years, we have aimed to bring together researchers from all areas of automated reasoning in order to foster links among researchers from various disciplines; among theoreticians, implementers and users alike, and among international communities, this year not just the British and German communities

Applications on emerging paradigms in parallel computing

The area of computing is seeing parallelism increasingly being incorporated at various levels: from the lowest levels of vector processing units following Single Instruction Multiple Data (SIMD) processing, Simultaneous Multi-threading (SMT) architectures, and multi/many-cores with thread-level shared memory and SIMT parallelism, to the higher levels of distributed memory parallelism as in supercomputers and clusters, and scaling them to large distributed systems as server farms and clouds. All together these form a large hierarchy of parallelism. Developing high-performance parallel algorithms and efficient software tools, which make use of the available parallelism, is inevitable in order to harness the raw computational power these emerging systems have to offer. In the work presented in this thesis, we develop architecture-aware parallel techniques on such emerging paradigms in parallel computing, specifically, parallelism offered by the emerging multi- and many-core architectures, as well as the emerging area of cloud computing, to target large scientific applications. First, we develop efficient parallel algorithms to compute optimal pairwise alignments of genomic sequences on heterogeneous multi-core processors, and demonstrate them on the IBM Cell Broadband Engine. Then, we develop parallel techniques for scheduling all-pairs computations on heterogeneous systems, including clusters of Cell processors, and NVIDIA graphics processors. We compare the performance of our strategies on Cell, GPU and Intel Nehalem multi-core processors. Further, we apply our algorithms to specific applications taken from the areas of systems biology, fluid dynamics and materials science: pairwise Mutual Information computations for reconstruction of gene regulatory networks; pairwise Lp-norm distance computations for coherent structures discovery in the design of flapping-wing Micro Air Vehicles, and construction of stochastic models for a set of properties of heterogeneous materials. Lastly, in the area of cloud computing, we propose and develop an abstract framework to enable computations in parallel on large tree structures, to facilitate easy development of a class of scientific applications based on trees. Our framework, in the style of Google\u27s MapReduce paradigm, is based on two generic user-defined functions through which a user writes an application. We implement our framework as a generic programming library for a large cluster of homogeneous multi-core processor, and demonstrate its applicability through two applications: all-k-nearest neighbors computations, and Fast Multipole Method (FMM) based simulations

Traffic classification with passive measurement

This is a master thesis from a collaboration between Oslo University College and Uninett Research. Uninett have a passive monitoring device on a 2.5 Gbps backbone link between Trondheim and Narvik. They uses measurement with optical splitters and specialized measuring interfaces to trace traffic with Gigabit speed. We would like to investigate the structure and patterns in these data. It is of special interest to classify the traffic belonging to different services and protocols. Traffic classification enables a variety of other applications and topics, including Quality of Service, security, monitoring, and intrusion-detection that are of use to research, accountants, network operators and end users. The ability to accurately identify the network traffic associated with different applications is therefore important. However, traditional traffic to higher-level application classification techniques such as port-based is highly inaccurate for some applications. In this thesis, we provide an efficient approach for identifying different applications through our classification methodology. Our results indicate that with our technique we achieves less than 6.5% unknown type in most cases compared to the port-based which is 46.6%. The project is divided into three phases. First we will have a look at the problems dealing with collecting data traces in high speed network system. Second we will explore how we can identify and classify the data into different categories. Finally we will try to analyse our results offline.Master i nettverks- og systemadministrasjo

Instradamento di messaggi sulla rete multibutterfly

Nella tesi abbiamo analizzato il problema del routing di h-relation sulla rete multibutterfly [22]. Questa si ottiene come generalizzazione di una rete della famiglia del cubo, la rete butterfly. Infatti possiamo vedere una multibutterfly come la sovrapposizione di pi`u reti butterfly, nelle quali gli archi sono stati opportunamente permutati

Full Issue: Volume 15, Number 2, Spring 2022

Complete .pdf file of Volume 15, Number 2 of The Science Journal of the Lander College of Arts and Sciences. Published Spring 2022

Robust Scalable Sorting

Sortieren ist eines der wichtigsten algorithmischen Grundlagenprobleme. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Sortieralgorithmen in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt werden. Diese Anwendungen werden auf den unterschiedlichsten Geräten ausgeführt -- angefangen bei Smartphones mit leistungseffizienten Multi-Core-Prozessoren bis hin zu Supercomputern mit Tausenden von Maschinen, die über ein Hochleistungsnetzwerk miteinander verbunden sind. Spätestens seitdem die Single-Core-Leistung nicht mehr signifikant steigt, sind parallele Anwendungen in unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Daher sind effiziente und skalierbare Algorithmen essentiell, um diese immense Verfügbarkeit von (paralleler) Rechenleistung auszunutzen. Diese Arbeit befasst sich damit, wie sequentielle und parallele Sortieralgorithmen auf möglichst robuste Art maximale Leistung erzielen können. Dabei betrachten wir einen großen Parameterbereich von Eingabegrößen, Eingabeverteilungen, Maschinen sowie Datentypen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir sowohl sequentielles Sortieren als auch paralleles Sortieren auf Shared-Memory-Maschinen. Wir präsentieren In-place Parallel Super Scalar Samplesort (IPS⁴o), einen neuen vergleichsbasierten Algorithmus, der mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommt (die sogenannte „in-place” Eigenschaft). Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass unsere in-place-Technik die Sortiergeschwindigkeit von IPS⁴o im Vergleich zu ähnlichen Algorithmen ohne in-place-Eigenschaft verbessert. Bisher wurde die Eigenschaft, mit beschränkt viel Zusatzspeicher auszukommen, eher mit Leistungseinbußen verbunden. IPS⁴o ist außerdem cache-effizient und führt $O(n/t\log n)$ Arbeitsschritte pro Thread aus, um ein Array der Größe $n$ mit $t$ Threads zu sortieren. Zusätzlich berücksichtigt IPS⁴o Speicherlokalität, nutzt einen Entscheidungsbaum ohne Sprungvorhersagen und verwendet spezielle Partitionen für Elemente mit gleichem Schlüssel. Für den Spezialfall, dass ausschließlich ganzzahlige Schlüssel sortiert werden sollen, haben wir das algorithmische Konzept von IPS⁴o wiederverwendet, um In-place Parallel Super Scalar Radix Sort (IPS²Ra) zu implementieren. Wir bestätigen die Performance unserer Algorithmen in einer umfangreichen experimentellen Studie mit 21 State-of-the-Art-Sortieralgorithmen, sechs Datentypen, zehn Eingabeverteilungen, vier Maschinen, vier Speicherzuordnungsstrategien und Eingabegrößen, die über sieben Größenordnungen variieren. Einerseits zeigt die Studie die robuste Leistungsfähigkeit unserer Algorithmen. Andererseits deckt sie auf, dass viele konkurrierende Algorithmen Performance-Probleme haben: Mit IPS⁴o erhalten wir einen robusten vergleichsbasierten Sortieralgorithmus, der andere parallele in-place vergleichsbasierte Sortieralgorithmen fast um den Faktor drei übertrifft. In der überwiegenden Mehrheit der Fälle ist IPS⁴o der schnellste vergleichsbasierte Algorithmus. Dabei ist es nicht von Bedeutung, ob wir IPS⁴o mit Algorithmen vergleichen, die mit beschränkt viel Zusatzspeicher auskommen, Zusatzspeicher in der Größenordnung der Eingabe benötigen, und parallel oder sequentiell ausgeführt werden. IPS⁴o übertrifft in vielen Fällen sogar konkurrierende Implementierungen von Integer-Sortieralgorithmen. Die verbleibenden Fälle umfassen hauptsächlich gleichmäßig verteilte Eingaben und Eingaben mit Schlüsseln, die nur wenige Bits enthalten. Diese Eingaben sind in der Regel „einfach” für Integer-Sortieralgorithmen. Unser Integer-Sorter IPS²Ra übertrifft andere Integer-Sortieralgorithmen für diese Eingaben in der überwiegenden Mehrheit der Fälle. Ausnahmen sind einige sehr kleine Eingaben, für die die meisten Algorithmen sehr ineffizient sind. Allerdings sind Algorithmen, die auf diese Eingabegrößen abzielen, in der Regel für alle anderen Eingaben deutlich langsamer. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir skalierbare Sortieralgorithmen für verteilte Systeme, welche robust in Hinblick auf die Eingabegröße, häufig vorkommende Sortierschlüssel, die Verteilung der Sortierschlüssel auf die Prozessoren und die Anzahl an Prozessoren sind. Das Resultat unserer Arbeit sind im Wesentlichen vier robuste skalierbare Sortieralgorithmen, mit denen wir den gesamten Bereich an Eingabegrößen abdecken können. Drei dieser vier Algorithmen sind neue, schnelle Algorithmen, welche so implementiert sind, dass sie nur einen geringen Zusatzaufwand benötigen und gleichzeitig unabhängig von „schwierigen” Eingaben robust skalieren. Es handelt sich z.B. um „schwierige” Eingaben, wenn viele gleiche Elemente vorkommen oder die Eingabeelemente in Hinblick auf ihre Sortierschlüssel ungünstig auf die Prozessoren verteilt sind. Bisherige Algorithmen für mittlere und größere Eingabegrößen weisen ein unzumutbar großes Kommunikationsvolumen auf oder tauschen unverhältnismäßig oft Nachrichten aus. Für diese Eingabegrößen beschreiben wir eine robuste, mehrstufige Verallgemeinerung von Samplesort, die einen brauchbaren Kompromiss zwischen dem Kommunikationsvolumen und der Anzahl ausgetauschter Nachrichten darstellt. Wir überwinden diese bisher unvereinbaren Ziele mittels einer skalierbaren approximativen Splitterauswahl sowie eines neuen Datenumverteilungsalgorithmus. Als eine Alternative stellen wir eine Verallgemeinerung von Mergesort vor, welche den Vorteil von perfekt ausbalancierter Ausgabe hat. Für kleine Eingaben entwerfen wir eine Variante von Quicksort. Mit wenig Zusatzaufwand vermeidet sie das Problem ungünstiger Elementverteilungen und häufig vorkommender Sortierschlüssel, indem sie schnell qualitativ hochwertige Splitter auswählt, die Elemente zufällig den Prozessoren zuweist und einer Duplikat-Behandlung unterzieht. Bisherige praktische Ansätze mit polylogarithmischer Latenz haben entweder einen logarithmischen Faktor mehr Kommunikationsvolumen oder berücksichtigen nur gleichverteilte Eingaben ohne mehrfach vorkommende Sortierschlüssel. Für sehr kleine Eingaben schlagen wir einen einfachen sowie schnellen, jedoch arbeitsineffizienten Algorithmus mit logarithmischer Latenzzeit vor. Für diese Eingaben sind bisherige effiziente Ansätze nur theoretische Algorithmen, die meist unverhältnismäßig große konstante Faktoren haben. Für die kleinsten Eingaben empfehlen wir die Daten zu sortieren, während sie an einen einzelnen Prozessor geschickt werden. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit zu der praktischen Seite von Algorithm Engineering ist die Kommunikationsbibliothek RangeBasedComm (RBC). Mit RBC ermöglichen wir eine effiziente Umsetzung von rekursiven Algorithmen mit sublinearer Laufzeit, indem sie skalierbare und effiziente Kommunikationsfunktionen für Teilmengen von Prozessoren bereitstellt. Zuletzt präsentieren wir eine umfangreiche experimentelle Studie auf zwei Supercomputern mit bis zu 262144 Prozessorkernen, elf Algorithmen, zehn Eingabeverteilungen und Eingabegrößen variierend über neun Größenordnungen. Mit Ausnahme von den größten Eingabegrößen ist diese Arbeit die einzige, die überhaupt Sortierexperimente auf Maschinen dieser Größe durchführt. Die RBC-Bibliothek beschleunigt die Algorithmen teilweise drastisch – einen konkurrierenden Algorithmus sogar um mehr als zwei Größenordnungen. Die Studie legt dar, dass unsere Algorithmen robust sind und gleichzeitig konkurrierende Implementierungen leistungsmäßig deutlich übertreffen. Die Konkurrenten, die man normalerweise betrachtet hätte, stürzen bei „schwierigen” Eingaben sogar ab