Data-parallel computation in parallel and distributed environments

The past few decades have seen a considerable increase in the number of parallel and distributed systems. With the development of more complex applications, the need for more powerful systems has emerged and various parallel and distributed environments have been designed and implemented. Each of the environments, including hardware and software, has unique strengths and weaknesses. There is no single parallel environment that can be identified as the best environment for all applications with respect to hardware and software properties. The main goal of this thesis is to provide a novel way of performing data-parallel computation in parallel and distributed environments by utilizing the best characteristics of difference aspects of parallel computing. For the purpose of this thesis, three aspects of parallel computing were identified and studied. First, three parallel environments (shared memory, distributed memory, and a network of workstations) are evaluated to quantify theirsuitability for different parallel applications. Due to the parallel and distributed nature of the environments, networks connecting the processors in these environments were investigated with respect to their performance characteristics. Second, scheduling algorithms are studied in order to make them more efficient and effective. A concept of application-specific information scheduling is introduced. The application- specific information is data about the workload extractedfrom an application, which is provided to a scheduling algorithm. Three scheduling algorithms are enhanced to utilize the application-specific information to further refine their scheduling properties. A more accurate description of the workload is especially important in cases where the workunits are heterogeneous and the parallel environment is heterogeneous and/or non-dedicated. The results obtained show that the additional information regarding the workload has a positive impact on the performance of applications. Third, a programming paradigm for networks of symmetric multiprocessor (SMP) workstations is introduced. The MPIT programming paradigm incorporates the Message Passing Interface (MPI) with threads to provide a methodology to write parallel applications that efficiently utilize the available resources and minimize the overhead. The MPIT allows for communication and computation to overlap by deploying a dedicated thread for communication. Furthermore, the programming paradigm implements an application-specific scheduling algorithm. The scheduling algorithm is executed by the communication thread. Thus, the scheduling does not affect the execution of the parallel application. Performance results achieved from the MPIT show that considerable improvements over conventional MPI applications are achieved.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Coscheduling techniques and monitoring tools for non-dedicated cluster computing

Our efforts are directed towards the understanding of the coscheduling mechanism in a NOW system when a parallel job is executed jointly with local workloads, balancing parallel performance against the local interactive response. Explicit and implicit coscheduling techniques in a PVM-Linux NOW (or cluster) have been implemented. Furthermore, dynamic coscheduling remains an open question when parallel jobs are executed in a non-dedicated Cluster. A basis model for dynamic coscheduling in Cluster systems is presented in this paper. Also, one dynamic coscheduling algorithm for this model is proposed. The applicability of this algorithm has been proved and its performance analyzed by simulation. Finally, a new tool (named Monito) for monitoring the different queues of messages in such an environments is presented. The main aim of implementing this facility is to provide a mean of capturing the bottlenecks and overheads of the communication system in a PVM-Linux cluster.

Teaching fundamentals of computing theory: a constructivist approach

A Fundamentals of Computing Theory course involves different topics that are core to the Computer Science curricula and whose level of abstraction makes them difficult both to teach and to learn. Such difficulty stems from the complexity of the abstract notions involved and the required mathematical background. Surveys conducted among our students showed that many of them were applying some theoretical concepts mechanically rather than developing significant learning. This paper shows a number of didactic strategies that we introduced in the Fundamentals of Computing Theory curricula to cope with the above problem. The proposed strategies were based on a stronger use of technology and a constructivist approach. The final goal was to promote more significant learning of the course topics.

Level Set Methods in Image Processing

This thesis gives an overview of the use of the level set methods in the field of image science. The similar fast marching method is discussed for comparison, also the narrow band and the particle level set methods are introduced. The level set method is a numerical scheme for representing, deforming and recovering structures in an arbitrary dimensions. It approximates and tracks the moving interfaces, dynamic curves and surfaces. The level set method does not define how and why some boundary is advancing the way it is but simply represents and tracks the boundary. The principal idea of the level set method is to represent the N dimensional boundary in the N+l dimensions. This gives the generality to represent even the complex boundaries. The level set methods can be powerful tools to represent dynamic boundaries, but they can require lot of computing power. Specially the basic level set method have considerable computational burden. This burden can be alleviated with more sophisticated versions of the level set algorithm like the narrow band level set method or with the programmable hardware implementation. Also the parallel approach can be used in suitable applications. It is concluded that these methods can be used in a quite broad range of image applications, like computer vision and graphics, scientific visualization and also to solve problems in computational physics. Level set methods and methods derived and inspired by it will be in the front line of image processing also in the future.

Strategic supply lead time management. Case Nokia Networks, Hardware Services

Teollisuuden palveluiden on huomattu olevan potentiaalinen lisätulojen lähde. Teollisuuden palveluiden dynaamisessa maailmassa räätälöinti ja kyky toimia nopeasti ovat kriittisiä asiakastyytyväisyyden ja kilpailuedun luomisprosessin osia. Toimitusketjussa käytetyn ajan lyhentämisellä voidaan saavuttaa sekä paremmat vasteajat, että alhaisemmat kokonaiskustannukset. Tutkielman tavoitteena on kuvata teollisuuden palveluiden dynaamista ympäristöä: asiakastarvetta, sekä mahdollisuuksia kaventaa pyydetyn ja saavutetun toimitusajan välistä eroa. Tämä toteutetaan pääosin strategisen toimitusajan hallinnan keinoin. Langattomien tietoliikenneverkkojen operaattorit haluavat vähentää ydinosaamiseensa kuulumatomiin toimintoihin, kuten ylläpitoon sitoutuneita pääomia. Tutkielman case osiossa varaosapalvelujen toimitusketjun kysyntä-, materiaali- ja informaatiovirtoja analysoidaan niin kvalitatiivisten haastatteluiden, sisäisten dokumenttien, kuin kvantitatiivisten tilastollisten menetelmienkin avulla. Löydöksiä peilataan vallitsevaa toimitusketjun ja ajanhallinnan paradigmaa vasten. Tulokset osoittavat, että vahvan palvelukulttuurin omaksuminen ja kokonaisvaltainen toimitusketjun tehokkuuden mittaaminen ovat ajanhallinnan lähtökohtia teollisuuden palveluissa.

Multilayer switch hardware support for Linux

VDSL on teknologia, joka mahdollistaa nopeat Internet-yhteydet tavallista puhelinlinjaa käyttäen. Tätä varten käyttäjä tarvitsee VDSL-modeemin ja Internet-operaattori reitittimen, johon VDSL-linjat kytketään. Reitittimen on oltava suorituskykyinen, jotta kaikki VDSL-liikenne voidaan reittittää eteenpäin. Tehokkuutta haetaan tekemällä suuri osa reitityksestä erityisillä reititinpiireillä. Tässä diplomityössä käsitellään reititinpiirien teoriaa ja niiden hallintaa. Lisäksi vertailtiin kolmen suuren valmistajan tuotteita. Tuotteiden tarjoamat ominaisuudet vaikuttivat hyvin yhteneväisiltä. Ominaisuuksien hallinta ja toteutus olivat erilaisia. Työn tavoitteena oli löytää ohjelmistoarkkitehtuuri piirien ohjaamiseen niin, että Linux-käyttöjärjestelmän ytimen palveluja voitaisiin käyttää mahdollisimman hyödyllisesti. Työssä havaittiin, että ohjelmistoarkkitehtuurin voi määritellä monella eri tavalla riippuen siitä, miten piiri on kytketty prosessoriin, mitä piirin ominaisuuksia halutaan käyttää ja miten arkkitehtuuria halutaan jatkossa laajentaa.

Server Virtualization

Virtualisoinnin ideana on kuvata tietotekniikkaan liittyvät laiteresurssit ryhminä. Kun jonkin tehtävän suoritukseen tarvitaan resursseja, ne kerätään erikseen jokaisesta ryhmästä. Virtualisoinnin yksi osa-alue on palvelimen tai palvelinten virtualisointi, jossa pyritään hyödyntämään palvelinlaitteisto mahdollisimman tehokkaasti. Tehokkuus saavutetaan käyttämällä erillisiä instansseja, joita kutsutaan virtuaalikoneiksi. Tässä diplomityössä esitellään ja verrataan erilaisia palvelinten virtualisointimalleja ja tekniikoita, joita voidaan käyttää IA-32 arkkitehtuurin kanssa. Eroa virtualisoinnin ja eri partitiointitekniikoiden välillä tarkastellaan erikseen. Lisäksi muutoksia, joita palvelinten virtualisointi aiheuttaa infrastruktuuriin, ympäristöön ja laitteistoon käsitellään yleisellä tasolla. Teorian oikeellisuutta todistettiin suorittamalla useita testejä käyttäen kahta eri virtualisointiohjelmistoa. Testien perusteella palvelinten virtualisointi vähentää suorituskykyä ja luo ympäristön, jonka hallitseminen on vaikeampaa verrattuna perinteiseen ympäristöön. Myös tietoturvaa on katsottava uudesta näkökulmasta, sillä fyysistä eristystä ei virtuaalikoneille voida toteuttaa. Jotta virtualisoinnista saataisiin mahdollisimman suuri hyöty tuotantoympäristössä, vaaditaan tarkkaa harkintaa ja suunnitelmallisuutta. Parhaat käyttökohteet ovat erilaiset testiympäristöt, joissa vaatimukset suorituskyvyn ja turvallisuuden suhteen eivät ole niin tarkat.

Soft Computing Methods in Metallurgy

In metallurgic plants a high quality metal production is always required. Nowadays soft computing applications are more often used for automation of manufacturing process and quality control instead of mechanical techniques. In this thesis an overview of soft computing methods presents. As an example of soft computing application, an effective model of fuzzy expert system for the automotive quality control of steel degassing process was developed. The purpose of this work is to describe the fuzzy relations as quality hypersurfaces by varying number of linguistic variables and fuzzy sets.

Evolutionary computing in search-based software engineering

This master’s thesis aims to study and represent from literature how evolutionary algorithms are used to solve different search and optimisation problems in the area of software engineering. Evolutionary algorithms are methods, which imitate the natural evolution process. An artificial evolution process evaluates fitness of each individual, which are solution candidates. The next population of candidate solutions is formed by using the good properties of the current population by applying different mutation and crossover operations. Different kinds of evolutionary algorithm applications related to software engineering were searched in the literature. Applications were classified and represented. Also the necessary basics about evolutionary algorithms were presented. It was concluded, that majority of evolutionary algorithm applications related to software engineering were about software design or testing. For example, there were applications about classifying software production data, project scheduling, static task scheduling related to parallel computing, allocating modules to subsystems, N-version programming, test data generation and generating an integration test order. Many applications were experimental testing rather than ready for real production use. There were also some Computer Aided Software Engineering tools based on evolutionary algorithms.

Use of scenario analysis in studying emerging technology – Case Grid computing

Tutkimuksen selvitettiin miten skenaarioanalyysia voidaan käyttää uuden teknologian tutkimisessa. Työssä havaittiin, että skenaarioanalyysin soveltuvuuteen vaikuttaa eniten teknologisen muutoksen taso ja saatavilla olevan tiedon luonne. Skenaariomenetelmä soveltuu hyvin uusien teknologioiden tutkimukseen erityisesti radikaalien innovaatioiden kohdalla. Syynä tähän on niihin liittyvä suuri epävarmuus, kompleksisuus ja vallitsevan paradigman muuttuminen, joiden takia useat muut tulevaisuuden tutkimuksen menetelmät eivät ole tilanteessa käyttökelpoisia. Työn empiirisessä osiossa tutkittiin hilaverkkoteknologian tulevaisuutta skenaarioanalyysin avulla. Hilaverkot nähtiin mahdollisena disruptiivisena teknologiana, joka radikaalina innovaationa saattaa muuttaa tietokonelaskennan nykyisestä tuotepohjaisesta laskentakapasiteetin ostamisesta palvelupohjaiseksi. Tällä olisi suuri vaikutus koko nykyiseen ICT-toimialaan erityisesti tarvelaskennan hyödyntämisen ansiosta. Tutkimus tarkasteli kehitystä vuoteen 2010 asti. Teorian ja olemassa olevan tiedon perusteella muodostettiin vahvaan asiantuntijatietouteen nojautuen neljä mahdollista ympäristöskenaariota hilaverkoille. Skenaarioista huomattiin, että teknologian kaupallinen menestys on vielä monen haasteen takana. Erityisesti luottamus ja lisäarvon synnyttäminen nousivat tärkeimmiksi hilaverkkojen tulevaisuutta ohjaaviksi tekijöiksi.

Trust region versus line search for computing the optical flow

We consider the numerical treatment of the optical flow problem by evaluating the performance of the trust region method versus the line search method. To the best of our knowledge, the trust region method is studied here for the first time for variational optical flow computation. Four different optical flow models are used to test the performance of the proposed algorithm combining linear and nonlinear data terms with quadratic and TV regularization. We show that trust region often performs better than line search; especially in the presence of non-linearity and non-convexity in the model.

Platform Architectures for Policy-Based Network Access Control

Tämä diplomityö käsittelee sääntöpohjaisen verkkoon pääsyn hallinnan (NAC) ratkaisuja arkkitehtonisesta näkökulmasta. Työssä käydään läpi Trusted Computing Groupin, Microsoft Corporationin, Juniper Networksin sekä Cisco Systemsin NAC-ratkaisuja. NAC koostuu joukosta uusia sekä jo olemassa olevia teknologioita, jotka auttavat ennalta määriteltyyn sääntökantaan perustuen hallitsemaan suojattuun verkkoon pyrkivien laitteiden tietoliikenneyhteyksiä. Käyttäjän tunnistamisen lisäksi NAC pystyy rajoittamaan verkkoon pääsyä laitekohtaisten ominaisuuksien perusteella, esimerkiksi virustunnisteisiin ja käyttöjärjestelmäpäivityksiin liittyen ja paikkaamaan tietyin rajoituksin näissä esiintyviä puutteita verkkoon pääsyn sallimiseksi. NAC on verraten uusi käsite, jolta puuttuu tarkka määritelmä. Tästä johtuen nykymarkkinoilla myydään ominaisuuksiltaan puutteellisia tuotteita NAC-nimikkeellä. Standardointi eri valmistajien NAC-komponenttien yhteentoimivuuden takaamiseksi on meneillään, minkä perusteella ratkaisut voidaan jakaa joko avoimia standardeja tai valmistajakohtaisia standardeja noudattaviksi. Esitellyt NAC-ratkaisut noudattavat standardeja joko rajoitetusti tai eivät lainkaan. Mikään läpikäydyistä ratkaisuista ei ole täydellinen NAC, mutta Juniper Networksin ratkaisu nousee niistä potentiaalisimmaksi jatkokehityksen ja -tutkimuksen kohteeksi TietoEnator Processing & Networks Oy:lle. Eräs keskeinen ongelma NAC-konseptissa on työaseman tietoverkolle toimittama mahdollisesti valheellinen tietoturvatarkistuksen tulos, minkä perusteella pääsyä osittain hallitaan. Muun muassa tähän ongelmaan ratkaisuna voisi olla jo nykytietokoneista löytyvä TPM-siru, mikä takaa tiedon oikeellisuuden ja koskemattomuuden.

Concurrent : Easy to use Python computing environment

Concurrent aims to be a different type of task distribution system compared to what MPI like system do. It adds a simple but powerful application abstraction layer to distribute the logic of an entire application onto a swarm of clusters holding similarities with volunteer computing systems. Traditional task distributed systems will just perform simple tasks onto the distributed system and wait for results. Concurrent goes one step further by letting the tasks and the application decide what to do. The programming paradigm is then totally async without any waits for results and based on notifications once a computation has been performed.