Entwicklung effizienter gemischt paralleler Anwendungen

Die Ausnutzung von gemischter Parallelität durch parallele Tasks führt im Vergleich mit reiner Datenparallelität und reiner Taskparallelität häufig zu effizienteren und flexibleren parallelen Implementierungen. In der vorliegenden Dissertation wird mit dem CM-task Programmiermodell eine Erweiterung des Standardmodells der parallelen Tasks vorgestellt. Damit wird die Modellierung von Kommunikationsoperationen zwischen zeitgleich ausgeführten parallelen Tasks unterstützt, was zur besseren Strukturierung von parallelen Anwendungen mit einem regelmäßigen Datenaustausch zwischen verschiedenen Programmteilen beiträgt. Für das CM-task Programmiermodell wird das zugehörige Schedulingproblem definiert und ein entsprechender Schedulingalgorithmus vorgestellt. Die Anwendungsentwicklung im CM-task Programmiermodell wird durch das CM-task Compilerframework unterstützt, das eine gegebene plattformunabhängige Spezifiktion eines parallelen Algorithmus schrittweise in ein plattformspezifisches Koordinationsprogramm übersetzt. Das Koordinationsprogramm enthält Programmcode zum Anlegen und Verwalten der benötigten Prozessorgruppen, zum Ausführen der vom Anwender bereitgestellten CM-tasks auf diesen Prozessorgruppen sowie zur Realisierung der benötigten Datenumverteilungsoperationen zwischen den Prozessorgruppen. Der Aufbau und die Schnittstellen des CM-task Compilerframeworks werden in der vorliegenden Dissertation detailliert beschrieben. Anhand verschiedener Anwendungen aus dem wissenschaftlichen Rechnens wird die Einsetzbarkeit des CM-task Programmiermodells und des CM-task Compilerframeworks demonstriert.Mixed parallel programming models based on parallel tasks often lead to more efficient and more flexible implementations compared to pure data and pure task parallelism. In this thesis, the CM-task programming model is proposed which extends standard parallel tasks such that communication phases between concurrently executed parallel tasks can be modeled thus allowing a better structuring of parallel applications that require a frequent data exchange between different program parts. Based on the CM-task programming model the CM-task scheduling problem is defined and a scheduling algorithm is proposed. The development of parallel applications within the CM-task programming model is supported by the CM-task compiler framework, which transforms a given platform independent specification of a parallel algorithm into a platform specific coordination program. The coordination program is responsible for the creation and the management of the required processor groups, the execution of the user provided CM-tasks on these processor groups and for the implementation of the data re-distribution operations between these processor groups. The architecture and the interfaces of the CM-task compiler framework are explained in detail. The applicability of the CM-task programming model and the CM-task compiler framework are demonstrated for several scientific applications

Compileroptimierung und parallele Code-Generierung für zeitkritische eingebettete Multiprozessorsysteme

Durch den voranschreitenden Trend der Digitalisierung gewinnen intelligente digitale Systeme in vielen Bereichen des täglichen Lebens zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft insbesondere auch den Bereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme, für deren sicheren Betrieb die Echtzeitfähigkeit nachgewiesen werden muss. Im Gegensatz zu Anwendungsfeldern ohne diese Anforderung sind effiziente Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen derzeit noch kaum verbreitet. Der Hauptgrund für die bisherige Dominanz der Einzelkernprozessoren sind fehlende Methoden und Werkzeuge, um parallele Echtzeit-Software für Mehrkernprozessoren zu entwickeln und selbst im ungünstigsten Fall noch eine maximale Ausführungszeit (englisch Worst Case Execution Time, kurz WCET) garantieren zu können. In diesem Kontext besteht eines der wesentlichen Probleme darin, dass sich parallel ablaufende Software-Routinen im Hinblick auf ihre Laufzeit gegenseitig beeinflussen können. In Mehrkernprozessoren geschieht dies vor allem bei gleichzeitigen Zugriffen mehrerer Kerne auf eine gemeinsam genutzte Hardware-Ressource. Geeignete Methoden, um den Einfluss dieser als Interferenz bezeichneten Effekte bei der Software-Entwicklung präzise vorherzusagen und sichere Garantien für die Ausführungszeit abzuleiten, sind Gegenstand aktueller Forschung. Gleiches gilt für Software-Werkzeuge zur automatischen Parallelisierung, die auf harte Echtzeitanwendungen spezialisiert sind. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Anwendbarkeit von Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen durch Beiträge in den Bereichen der automatischen Software-Parallelisierung, Code-Optimierung und Hardware-Modellierung signifikant zu verbessern. Als Bestandteil einer Werkzeugkette zur automatischen Parallelisierung von sequentieller Echtzeit-Software wird in dieser Arbeit ein Compiler-Werkzeug zur WCET-optimierten parallelen Code-Generierung und ein zugehöriges paralleles Programmiermodell vorgestellt. Hierdurch können -- weitgehend ohne Zutun eines Endanwenders -- gut vorhersagbare parallele Programme erzeugt werden. Durch das Programmiermodell wird dabei sichergestellt, dass die Ausführungszeit, einschließlich der Interferenzeffekte, mit Hilfe einer statischen WCET-Analyse sicher nach oben abgeschätzt werden kann. Als Teil der Code-Generierung stellt die vorliegende Arbeit zwei Optimierungsmethoden vor, die zum einen den Kommunikations- und Synchronisationsaufwand zwischen den Prozessorkernen reduzieren und zum anderen die optimierte Allokation verteilter Speicher in heterogenen Speicherhierarchien ermöglichen. Erstere ist auf des parallele Programmiermodell abgestimmt und erlaubt die optimierte Platzierung von Kommunikations- und Synchronisationsoperationen sowie das Entfernen redundanter Synchronisation auf einer feingranularen Ebene. Die Optimierung der Speicherallokation ergänzt den Ansatz um ein formales Optimierungsmodell zur Zuweisung der Datenfelder eines generierten Programms zu den Speicherbereichen der Zielplattform. Das Modell bezieht dabei sowohl die Kosten für Interferenzeffekte als auch die Speicherhierarchie von Zielplattformen mit verteilten und heterogenen Speichern mit ein. Um die Schritte zur Generierung, Optimierung und Analyse von paralleler Echtzeit-Software weitgehend plattformunabhängig aufbauen zu können, beinhaltet die vorliegende Arbeit außerdem einen Ansatz zur generischen Modellierung von Mehrkernprozessorarchitekturen. Dieser erlaubt es, die Zielplattform mit Hilfe einer entsprechend erweiterten Architekturbeschreibungssprache (ADL) zu beschreiben, wodurch sich die darauf aufbauenden Entwicklungswerkzeuge mit überschaubarem Aufwand auf ein breites Spektrum von Hardware-Plattformen anwenden lassen. Mit dieser neuartigen Kombination erweitert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik um einige wesentliche Bausteine, die die weitgehend automatisierte Parallelisierung von Echtzeit-Software ohne stark einschränkende Annahmen bezüglich der Struktur des Eingabeprogramms ermöglichen. Zu den weiteren Neuerungen dieser Arbeit zählen die Plattformunabhängigkeit bei der WCET-optimierten Software-Parallelisierung und die Berücksichtigung von Interferenzeffekten bei der Speicherallokation in Echtzeitsystemen. Die experimentelle Evaluation der vorgestellten Methoden und deren prototypischer Umsetzung zeigt, dass die WCET aller betrachteten Testanwendungen von der Parallelisierung profitieren kann. Auf einer Plattform mit vier Prozessorkernen konnte z.B. die WCET einer Anwendung aus dem Bereich der Bildverarbeitung durch die Parallelisierung im Vergleich zum sequentiellen Eingabeprogramm um Faktor 3,21 verbessert werden. Auch die Optimierungsansätze für Kommunikation und Speicherallokation führen größtenteils zu einer deutlichen Verbesserung der WCET. So konnten die durch Interferenzen verursachten Kosten im Zuge der Speicherallokation z.B. um bis zu 49% reduziert werden. Insgesamt haben die Ergebnisse dieser Arbeit damit das Potential, die effiziente und kostengünstige Nutzung von Mehrkernprozessoren im Bereich harter Echtzeitsysteme wesentlich voranzutreiben

Effiziente Durchführung von Prozessmigrationen in verteilten Workflow-Management-Systemen

Zur Unterstützung von unternehmensweiten und -übergreifenden Geschäftsprozessen muss ein Workflow-Management-System (WfMS) eine große Anzahl von Workflows (WF) steuern können. Dadurch resultiert eine hohe Last für die WF-Server und das zugrunde liegende Kommunikationssystem. Ein verbreiteter Ansatz zur Bewältigung der Last ist es, die WF-Instanzen verteilt durch mehrere WF-Server zu kontrollieren. Beim Wechsel der Kontrolle zwischen zwei WF-Servern werden dann Migrationen notwendig, bei denen Daten der jeweiligen WF-Instanz vom Quell- zum Zielserver übertragen werden müssen, um dort mit der Steuerung fortfahren zu können. Deshalb belasten Migrationen das Kommunikationssystem zusätzlich. In diesem Beitrag werden Verfahren entwickelt, mit denen die bei Migrationen entstehende Kommunikationslast reduziert werden kann, so dass die Skalierbarkeit des WfMS signifikant verbessert wird. Falls Geschäftsbereiche nur über langsame Kommunikationsverbindungen angebunden sind, wird dadurch der Einsatz eines WfMS überhaupt erst ermöglicht

Effiziente Übertragung von Prozessinstanzdaten in verteilten Workflow-Management-Systemen

Zur Unterstützung von unternehmensweiten und -übergreifenden Geschäftsprozessen muss ein Workflow-Management-System (WfMS) eine große Anzahl von Workflow-Instanzen steuern können. Daraus resultiert eine hohe Last für die Workflow-Server und das zugrunde liegende Kommunikationssystem. Ein in der Workflow-Literatur viel diskutierter Ansatz zur Bewältigung der Last ist es, die Workflow-Instanzen verteilt durch mehrere Workflow-Server zu kontrollieren. Beim Wechsel der Kontrolle zwischen zwei Workflow-Servern werden dann Migrationen notwendig, bei denen Daten der jeweiligen Workflow-Instanz vom Quell- zum Zielserver übertragen werden müssen, um dort mit der Steuerung fortfahren zu können. Deshalb belasten Migrationen das Kommunikationssystem zusätzlich. In diesem Beitrag werden Verfahren entwickelt, mit denen die bei Migrationen entstehende Kommunikationslast reduziert werden kann, so dass die Skalierbarkeit des WfMS signifikant verbessert wird. Falls Gesch¨aftsbereiche aus Kostengründen nur über langsame Kommunikationsverbindungen angebunden sind, wird dadurch der Einsatz eines WfMS überhaupt erst ermöglicht

Jahresbericht 2009 zur kooperativen DV-Versorgung

:VORWORT 9 ÜBERSICHT DER INSERENTEN 10 TEIL I ZUR ARBEIT DER DV KOMMISSION 15 MITGLIEDER DER DV KOMMISSION 15 ZUR ARBEIT DES IT LENKUNGSAUSSCHUSSES 17 ZUR ARBEIT DES WISSENSCHAFTLICHEN BEIRATES DES ZIH 17 TEIL II 1 DAS ZENTRUM FÜR INFORMATIONSDIENSTE UND HOCHLEISTUNGSRECHNEN (ZIH) 21 1.1 AUFGABEN 21 1.2 ZAHLEN UND FAKTEN (REPRÄSENTATIVE AUSWAHL) 21 1.3 HAUSHALT 22 1.4 STRUKTUR / PERSONAL 23 1.5 STANDORT 24 1.6 GREMIENARBEIT 25 2 KOMMUNIKATIONSINFRASTRUKTUR 27 2.1 NUTZUNGSÜBERSICHT NETZDIENSTE 27 2.1.1 WiN IP Verkehr 27 2.2 NETZWERKINFRASTRUKTUR 27 2.2.1 Allgemeine Versorgungsstruktur 27 2.2.2 Netzebenen 27 2.2.3 Backbone und lokale Vernetzung 28 2.2.4 Druck Kopierer Netz 32 2.2.5 WLAN 32 2.2.6 Datennetz zwischen den Universitätsstandorten und Außenanbindung 33 2.2.7 Vertrag „Kommunikationsverbindung der Sächsischen Hochschulen“ 37 2.2.8 Datennetz zu den Wohnheimstandorten 39 2.2.9 Datennetz der Fakultät Informatik 39 2.3 KOMMUNIKATIONS UND INFORMATIONSDIENSTE 40 2.3.1 Electronic Mail 40 2.3.1.1 Einheitliche E-Mail-Adressen an der TU Dresden 41 2.3.1.2 Struktur- bzw. funktionsbezogene E-Mail-Adressen an der TU Dresden 41 2.3.1.3 ZIH verwaltete Nutzer-Mailboxen 42 2.3.1.4 Web-Mail 42 2.3.1.5 Neuer Mailinglisten-Server 43 2.3.2 Authentifizierungs und Autorisierungs Infrastruktur (AAI) 43 2.3.2.1 Shibboleth 43 2.3.2.2 DFN PKI 43 2.3.3 Wählzugänge 44 2.3.4 Time Service 44 2.3.5 Voice over Internet Protocol (VoIP) 44 3 ZENTRALE DIENSTANGEBOTE UND SERVER 47 3.1 BENUTZERBERATUNG (BB) 47 3.2 TROUBLE TICKET SYSTEM (OTRS) 48 3.3 NUTZERMANAGEMENT 49 3.4 LOGIN SERVICE 50 3.5 BEREITSTELLUNG VON VIRTUELLEN SERVERN 51 3.6 STORAGE MANAGEMENT 51 3.6.1 Backup Service 52 3.6.2 File Service und Speichersysteme 55 3.7 LIZENZ SERVICE 56 3.8 PERIPHERIE SERVICE 57 3.9 PC POOLS 57 3.10 SECURITY 58 3.10.1 Informationssicherheit 58 3.10.2 Frühwarnsystem (FWS) im Datennetz der TU Dresden 58 3.10.3 VPN 59 3.10.4 Konzept der zentral bereitgestellten virtuellen Firewalls 59 4 SERVICELEISTUNGEN FÜR DEZENTRALE DV SYSTEME 61 4.1 ALLGEMEINES 61 4.2 PC SUPPORT 61 4.2.1 Investberatung 61 4.2.2 Implementierung 61 4.2.3 Instandhaltung 62 4.3 MICROSOFT WINDOWS SUPPORT 62 4.4 ZENTRALE SOFTWARE BESCHAFFUNG FÜR DIE TU DRESDEN 67 4.4.1 Arbeitsgruppe Software im ZKI 67 4.4.2 Strategie des Software Einsatzes an der TU Dresden 67 4.4.3 Software Beschaffung 68 5 HOCHLEISTUNGSRECHNEN 69 5.1 HOCHLEISTUNGSRECHNER/SPEICHERKOMPLEX (HRSK) 69 5.1.1 HRSK Core Router 70 5.1.2 HRSK SGI Altix 4700 70 5.1.3 HRSK PetaByte Bandarchiv 72 5.1.4 HRSK Linux Networx PC Farm 73 5.1.5 HRSK Linux Networx PC Cluster (HRSK Stufe 1a) 75 5.2 NUTZUNGSÜBERSICHT DER HPC SERVER 76 5.3 SPEZIALRESSOURCEN 77 5.3.1 SGI Origin 3800 77 5.3.2 NEC SX 6 77 5.3.3 Mikrosoft HPC System 78 5.3.4 Anwendercluster 78 5.4 GRID RESSOURCEN 79 5.5 ANWENDUNGSSOFTWARE 81 5.6 VISUALISIERUNG 82 5.7 PARALLELE PROGRAMMIERWERKZEUGE 83 6 WISSENSCHAFTLICHE PROJEKTE, KOOPERATIONEN 85 6.1 „KOMPETENZZENTRUM FÜR VIDEOKONFERENZDIENSTE“ (VCCIV) 85 6.1.1 Überblick 85 6.1.2 Videokonferenzräume 85 6.1.3 Aufgaben und Entwicklungsarbeiten 85 6.1.4 Weitere Aktivitäten 88 6.1.5 Der Dienst „DFNVideoConference“ Mehrpunktkonferenzen im G WiN 88 6.1.6 Ausblick 89 6.2 D GRID 89 6.2.1 Hochenergiephysik Community Grid (HEP CG) − Entwicklung von Anwendungen und Komponenten zur Datenauswertung in der Hochenergiephysik in einer nationalen e Science Umgebung 89 6.2.2 D Grid Integrationsprojekt 2 90 6.2.3 Chemomentum 90 6.2.4 D Grid Scheduler Interoperalität (DGSI) 91 6.2.5 MoSGrid − Molecular Simulation Grid 91 6.2.6 WisNetGrid −Wissensnetzwerke im Grid 92 6.3 BIOLOGIE 92 6.3.1 Entwicklung eines SME freundlichen Zuchtprogramms für Korallen 92 6.3.2 Entwicklung und Analyse von stochastischen interagierenden Vielteilchen Modellen für biologische Zellinteraktion 93 6.3.3 EndoSys − Modellierung der Rolle von Rab Domänen bei Endozytose und Signalverarbeitung in Hepatocyten 93 6.3.4 SpaceSys − Räumlich zeitliche Dynamik in der Systembiologie 94 6.3.5 Biologistik − Von bio inspirierter Logistik zum logistik inspirierten Bio Nano Engineering 94 6.3.6 ZebraSim − Modellierung und Simulation der Muskelgewebsbildung bei Zebrafischen 95 6.4 PERFORMANCE EVALUIERUNG 95 6.4.1 SFB 609 − Elektromagnetische Strömungsbeeinflussung in Metallurgie, Kristallzüchtung und Elektrochemie −Teilprojekt A1: Numerische Modellierung turbulenter MFD Strömungen 95 6.4.2 BenchIT − Performance Measurement for Scientific Applications 96 6.4.3 PARMA − Parallel Programming for Multi core Architectures -ParMA 97 6.4.4 VI HPS − Virtuelles Institut -HPS 97 6.4.5 Paralleles Kopplungs Framework und moderne Zeitintegrationsverfahren für detaillierte Wolkenprozesse in atmosphärischen Modellen 98 6.4.6 VEKTRA − Virtuelle Entwicklung von Keramik und Kompositwerkstoffen mit maßgeschneiderten Transporteigenschaften 98 6.4.7 Cool Computing −Technologien für Energieeffiziente Computing Plattformen (BMBF Spitzencluster Cool Silicon) 99 6.4.8 eeClust Energieeffizientes Cluster Computing 99 6.4.9 HI/CFD − Hocheffiziente Implementierung von CFD Codes für HPC Many Core Architekturen 99 6.4.10 SILC − Scalierbare Infrastruktur zur automatischen Leistungsanalyse paralleler Codes 100 6.4.11 TIMaCS − Tools for Intelligent System Mangement of Very Large Computing Systems 100 6.5 KOOPERATIONEN 101 7 DOIT INTEGRIERTES INFORMATIONSMANAGEMENT 111 7.1 VISION DER TU DRESDEN 111 7.2 ZIELE DES PROJEKTES DOIT 111 7.2.1 Analyse der bestehenden IT Unterstützung der Organisation und ihrer Prozesse 111 7.2.2 Erarbeitung von Verbesserungsvorschlägen 111 7.2.3 Herbeiführung strategischer Entscheidungen 112 7.2.4 Planung und Durchführung von Teilprojekten 112 7.2.5 Markt und Anbieteranalyse 112 7.2.6 Austausch mit anderen Hochschulen 112 7.3 ORGANISATION DES DOIT PROJEKTES 112 7.4 IDENTITÄTSMANAGEMENT 113 7.5 ELEKTRONISCHER KOSTENSTELLENZUGANG (ELKO) 114 8 AUSBILDUNGSBETRIEB UND PRAKTIKA 117 8.1 AUSBILDUNG ZUM FACHINFORMATIKER / FACHRICHTUNG ANWENDUNGSENTWICKLUNG 117 8.2 PRAKTIKA 118 9 AUS UND WEITERBILDUNGSVERANSTALTUNGEN 119 10 VERANSTALTUNGEN 121 11 PUBLIKATIONEN 123 TEIL III BERICHTE DER FAKULTÄTEN FAKULTÄT MATHEMATIK UND NATURWISSENSCHAFTEN Fachrichtung Mathematik 129 Fachrichtung Physik 133 Fachrichtung Chemie und Lebensmittelchemie 137 Fachrichtung Psychologie 143 Fachrichtung Biologie 147 PHILOSOHISCHE FAKULTÄT 153 FAKULTÄT SPRACH , LITERATUR UND KULTURWISSENSCHAFTEN 157 FAKULTÄT ERZIEHUNGSWISSENSCHAFTEN 159 JURISTISCHE FAKULTÄT 163 FAKULTÄT WIRTSCHAFTSWISSENSCHAFTEN 167 FAKULTÄT INFORMATIK 175 FAKULTÄT ELEKTRO UND INFORMATIONSTECHNIK 183 FAKULTÄT MASCHINENWESEN 193 FAKULTÄT BAUINGENIEURWESEN 203 FAKULTÄT ARCHITEKTUR 211 FAKULTÄT VERKEHRSWISSENSCHAFTEN „FRIEDRICH LIST“ 215 FAKULTÄT FORST , GEO UND HYDROWISSENSCHAFTEN Fachrichtung Forstwissenschaften 231 Fachrichtung Geowissenschaften 235 Fachrichtung Wasserwesen 241 MEDIZINISCHE FAKULTÄT CARL GUSTAV CARUS 24

Ficucs: Ein Constraint-Solver für geometrische Constraints in 2D und 3D

This thesis reflects the results of many years of research and development work in the field of geometric constraints for standard geometries in 2D and 3D. The experiences with constructive as well as numerical approaches for the calculation of constraint-based models have been continuously incorporated into the development of the constraint solver Ficucs. Besides the algorithms and data structures used in Ficucs the thesis describes various applications which use Ficucs as calculation module and corresponding models. The aim was to develop a constraint solver which is usable in many different kinds of projects. The focus was on interactivity and stability of the algorithms, because that is very important for the user's acceptance. A lot of improvements were found, most of them were also implemented and thus verified. It arose that a combination of different concepts in one application is often problematic. The thesis shall make the achieved results accessible to the interested readers and motivate further research work concerning a hybrid approach which combines constructive as well as numerical methods.Die vorliegende Arbeit spiegelt Ergebnisse einer langjährigen Forschungs- und Entwicklungstätigkeit auf dem Gebiet der geometrischen Constraints zu Standardgeometrien in 2D und 3D wider. Die Erfahrungen zu konstruktiven und numerischen Ansätzen für das Berechnen der constraint-basierten Modelle flossen in die Entwicklung des Constraint-Solvers Ficucs ein. Neben den in Ficucs genutzten Algorithmen und Datenstrukturen werden diverse Applikationen, welche Ficucs als Berechnungsmodul nutzen, sowie dazugehörige Modelle beschrieben. Ziel der Tätigkeiten war es, einen in den verschiedensten Projekten einsetzbaren Constraint-Solver zu entwickeln. Besonderes Augenmerk lag auf der Interaktivität sowie der Stabilität der Algorithmen, welche für eine Nutzerakzeptanz sehr wichtig sind. Hierzu wurden immer wieder Verbesserungsmöglichkeiten gefunden, zum Großteil auch implementiert und somit verifiziert. Es zeigte sich, dass die Kombination unterschiedlicher Konzepte in einer Anwendung oft problematisch ist. Die vorliegende Arbeit soll die erreichten Resultate interessierten Lesern zugänglich machen und zu einer weiteren Forschungstätigkeit in Richtung eines hybriden Ansatzes aus konstruktiven und numerischen Verfahren anregen