Smart execution of distributed application by balancing resources in mobile devices and cloud-based avatars

L’obiettivo del progetto di tesi svolto è quello di realizzare un servizio di livello middleware dedicato ai dispositivi mobili che sia in grado di fornire il supporto per l’offloading di codice verso una infrastruttura cloud. In particolare il progetto si concentra sulla migrazione di codice verso macchine virtuali dedicate al singolo utente. Il sistema operativo delle VMs è lo stesso utilizzato dal device mobile. Come i precedenti lavori sul computation offloading, il progetto di tesi deve garantire migliori performance in termini di tempo di esecuzione e utilizzo della batteria del dispositivo. In particolare l’obiettivo più ampio è quello di adattare il principio di computation offloading a un contesto di sistemi distribuiti mobili, migliorando non solo le performance del singolo device, ma l’esecuzione stessa dell’applicazione distribuita. Questo viene fatto tramite una gestione dinamica delle decisioni di offloading basata, non solo, sullo stato del device, ma anche sulla volontà e/o sullo stato degli altri utenti appartenenti allo stesso gruppo. Per esempio, un primo utente potrebbe influenzare le decisioni degli altri membri del gruppo specificando una determinata richiesta, come alta qualità delle informazioni, risposta rapida o basata su altre informazioni di alto livello. Il sistema fornisce ai programmatori un semplice strumento di definizione per poter creare nuove policy personalizzate e, quindi, specificare nuove regole di offloading. Per rendere il progetto accessibile ad un più ampio numero di sviluppatori gli strumenti forniti sono semplici e non richiedono specifiche conoscenze sulla tecnologia. Il sistema è stato poi testato per verificare le sue performance in termini di mecchanismi di offloading semplici. Successivamente, esso è stato anche sottoposto a dei test per verificare che la selezione di differenti policy, definite dal programmatore, portasse realmente a una ottimizzazione del parametro designato.

Aggregate Programming in Scala: a Core Library and Actor-Based Platform for Distributed Computational Fields

La programmazione aggregata è un paradigma che supporta la programmazione di sistemi di dispositivi, adattativi ed eventualmente a larga scala, nel loro insieme -- come aggregati. L'approccio prevalente in questo contesto è basato sul field calculus, un calcolo formale che consente di definire programmi aggregati attraverso la composizione funzionale di campi computazionali, creando i presupposti per la specifica di pattern di auto-organizzazione robusti. La programmazione aggregata è attualmente supportata, in modo più o meno parziale e principalmente per la simulazione, da DSL dedicati (cf., Protelis), ma non esistono framework per linguaggi mainstream finalizzati allo sviluppo di applicazioni. Eppure, un simile supporto sarebbe auspicabile per ridurre tempi e sforzi d'adozione e per semplificare l'accesso al paradigma nella costruzione di sistemi reali, nonché per favorire la ricerca stessa nel campo. Il presente lavoro consiste nello sviluppo, a partire da un prototipo della semantica operazionale del field calculus, di un framework per la programmazione aggregata in Scala. La scelta di Scala come linguaggio host nasce da motivi tecnici e pratici. Scala è un linguaggio moderno, interoperabile con Java, che ben integra i paradigmi ad oggetti e funzionale, ha un sistema di tipi espressivo, e fornisce funzionalità avanzate per lo sviluppo di librerie e DSL. Inoltre, la possibilità di appoggiarsi, su Scala, ad un framework ad attori solido come Akka, costituisce un altro fattore trainante, data la necessità di colmare l'abstraction gap inerente allo sviluppo di un middleware distribuito. Nell'elaborato di tesi si presenta un framework che raggiunge il triplice obiettivo: la costruzione di una libreria Scala che realizza la semantica del field calculus in modo corretto e completo, la realizzazione di una piattaforma distribuita Akka-based su cui sviluppare applicazioni, e l'esposizione di un'API generale e flessibile in grado di supportare diversi scenari.

Distributed allocation and scheduling of applications on HPC platforms

High Performance Computing e una tecnologia usata dai cluster computazionali per creare sistemi di elaborazione che sono in grado di fornire servizi molto piu potenti rispetto ai computer tradizionali. Di conseguenza la tecnologia HPC e diventata un fattore determinante nella competizione industriale e nella ricerca. I sistemi HPC continuano a crescere in termini di nodi e core. Le previsioni indicano che il numero dei nodi arrivera a un milione a breve. Questo tipo di architettura presenta anche dei costi molto alti in termini del consumo delle risorse, che diventano insostenibili per il mercato industriale. Un scheduler centralizzato non e in grado di gestire un numero di risorse cosi alto, mantenendo un tempo di risposta ragionevole. In questa tesi viene presentato un modello di scheduling distribuito che si basa sulla programmazione a vincoli e che modella il problema dello scheduling grazie a una serie di vincoli temporali e vincoli sulle risorse che devono essere soddisfatti. Lo scheduler cerca di ottimizzare le performance delle risorse e tende ad avvicinarsi a un profilo di consumo desiderato, considerato ottimale. Vengono analizzati vari modelli diversi e ognuno di questi viene testato in vari ambienti.

Design, implementation and performance evaluation of an anonymous distributed simulator

La simulazione è definita come la rappresentazione del comportamento di un sistema o di un processo per mezzo del funzionamento di un altro o, alternativamente, dall'etimologia del verbo “simulare”, come la riproduzione di qualcosa di fittizio, irreale, come se in realtà, lo fosse. La simulazione ci permette di modellare la realtà ed esplorare soluzioni differenti e valutare sistemi che non possono essere realizzati per varie ragioni e, inoltre, effettuare differenti valutazioni, dinamiche per quanto concerne la variabilità delle condizioni. I modelli di simulazione possono raggiungere un grado di espressività estremamente elevato, difficilmente un solo calcolatore potrà soddisfare in tempi accettabili i risultati attesi. Una possibile soluzione, viste le tendenze tecnologiche dei nostri giorni, è incrementare la capacità computazionale tramite un’architettura distribuita (sfruttando, ad esempio, le possibilità offerte dal cloud computing). Questa tesi si concentrerà su questo ambito, correlandolo ad un altro argomento che sta guadagnando, giorno dopo giorno, sempre più rilevanza: l’anonimato online. I recenti fatti di cronaca hanno dimostrato quanto una rete pubblica, intrinsecamente insicura come l’attuale Internet, non sia adatta a mantenere il rispetto di confidenzialità, integrità ed, in alcuni, disponibilità degli asset da noi utilizzati: nell’ambito della distribuzione di risorse computazionali interagenti tra loro, non possiamo ignorare i concreti e molteplici rischi; in alcuni sensibili contesti di simulazione (e.g., simulazione militare, ricerca scientifica, etc.) non possiamo permetterci la diffusione non controllata dei nostri dati o, ancor peggio, la possibilità di subire un attacco alla disponibilità delle risorse coinvolte. Essere anonimi implica un aspetto estremamente rilevante: essere meno attaccabili, in quanto non identificabili.

A Metric to Evaluate and Synthesize Distributed Compliant Mechanisms

Compliant mechanisms with evenly distributed stresses have better load-bearing ability and larger range of motion than mechanisms with compliance and stresses lumped at flexural hinges. In this paper, we present a metric to quantify how uniformly the strain energy of deformation and thus the stresses are distributed throughout the mechanism topology. The resulting metric is used to optimize cross-sections of conceptual compliant topologies leading to designs with maximal stress distribution. This optimization framework is demonstrated for both single-port mechanisms and single-input single-output mechanisms. It is observed that the optimized designs have lower stresses than their nonoptimized counterparts, which implies an ability for single-port mechanisms to store larger strain energy, and single-input single-output mechanisms to perform larger output work before failure.

Performance Modeling Of Reconfigurable Distributed Systems Based On The Opensparc Fpga Board And The Sirc Communication Framewor

This thesis explores system performance for reconfigurable distributed systems and provides an analytical model for determining throughput of theoretical systems based on the OpenSPARC FPGA Board and the SIRC Communication Framework. This model was developed by studying a small set of variables that together determine a system¿s throughput. The importance of this model is in assisting system designers to make decisions as to whether or not to commit to designing a reconfigurable distributed system based on the estimated performance and hardware costs. Because custom hardware design and distributed system design are both time consuming and costly, it is important for designers to make decisions regarding system feasibility early in the development cycle. Based on experimental data the model presented in this paper shows a close fit with less than 10% experimental error on average. The model is limited to a certain range of problems, but it can still be used given those limitations and also provides a foundation for further development of modeling reconfigurable distributed systems.

Design and Development of an FPGA-based Distributed Computing Processing Platform

This thesis presents two frameworks- a software framework and a hardware core manager framework- which, together, can be used to develop a processing platform using a distributed system of field-programmable gate array (FPGA) boards. The software framework providesusers with the ability to easily develop applications that exploit the processing power of FPGAs while the hardware core manager framework gives users the ability to configure and interact with multiple FPGA boards and/or hardware cores. This thesis describes the design and development of these frameworks and analyzes the performance of a system that was constructed using the frameworks. The performance analysis included measuring the effect of incorporating additional hardware components into the system and comparing the system to a software-only implementation. This work draws conclusions based on the provided results of the performance analysis and offers suggestions for future work.

Transient rhythmic network activity in the somatosensory cortex evoked by distributed input in vitro

The initiation and maintenance of physiological and pathophysiological oscillatory activity depends on the synaptic interactions within neuronal networks. We studied the mechanisms underlying evoked transient network oscillation in acute slices of the adolescent rat somatosensory cortex and modeled its underpinning mechanisms. Oscillations were evoked by brief spatially distributed noisy extracellular stimulation, delivered via bipolar electrodes. Evoked transient network oscillation was detected with multi-neuron patch-clamp recordings under different pharmacological conditions. The observed oscillations are in the frequency range of 2-5 Hz and consist of 4-12 mV large, 40-150 ms wide compound synaptic events with rare overlying action potentials. This evoked transient network oscillation is only weakly expressed in the somatosensory cortex and requires increased [K+]o of 6.25 mM and decreased [Ca2+]o of 1.5 mM and [Mg2+]o of 0.5 mM. A peak in the cross-correlation among membrane potential in layers II/III, IV and V neurons reflects the underlying network-driven basis of the evoked transient network oscillation. The initiation of the evoked transient network oscillation is accompanied by an increased [K+]o and can be prevented by the K+ channel blocker quinidine. In addition, a shift of the chloride reversal potential takes place during stimulation, resulting in a depolarizing type A GABA (GABAA) receptor response. Blockade of alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-proprionate (AMPA), N-methyl-D-aspartate (NMDA), or GABA(A) receptors as well as gap junctions prevents evoked transient network oscillation while a reduction of AMPA or GABA(A) receptor desensitization increases its duration and amplitude. The apparent reversal potential of -27 mV of the evoked transient network oscillation, its pharmacological profile, as well as the modeling results suggest a mixed contribution of glutamatergic, excitatory GABAergic, and gap junctional conductances in initiation and maintenance of this oscillatory activity. With these properties, evoked transient network oscillation resembles epileptic afterdischarges more than any other form of physiological or pathophysiological neocortical oscillatory activity.

DISTRIBUTED REPRODUCIBLE RESEARCH USING CACHED COMPUTATIONS

The ability to make scientific findings reproducible is increasingly important in areas where substantive results are the product of complex statistical computations. Reproducibility can allow others to verify the published findings and conduct alternate analyses of the same data. A question that arises naturally is how can one conduct and distribute reproducible research? This question is relevant from the point of view of both the authors who want to make their research reproducible and readers who want to reproduce relevant findings reported in the scientific literature. We present a framework in which reproducible research can be conducted and distributed via cached computations and describe specific tools for both authors and readers. As a prototype implementation we introduce three software packages written in the R language. The cacheSweave and stashR packages together provide tools for caching computational results in a key-value style database which can be published to a public repository for readers to download. The SRPM package provides tools for generating and interacting with "shared reproducibility packages" (SRPs) which can facilitate the distribution of the data and code. As a case study we demonstrate the use of the toolkit on a national study of air pollution exposure and mortality.