Realizing Accelerated Cost-Effective Distributed RAID

The exponential growth in user and application data entails new means for providing fault tolerance and protection against data loss. High Performance Com- puting (HPC) storage systems, which are at the forefront of handling the data del- uge, typically employ hardware RAID at the backend. However, such solutions are costly, do not ensure end-to-end data integrity, and can become a bottleneck during data reconstruction. In this paper, we design an innovative solution to achieve a flex- ible, fault-tolerant, and high-performance RAID-6 solution for a parallel file system (PFS). Our system utilizes low-cost, strategically placed GPUs — both on the client and server sides — to accelerate parity computation. In contrast to hardware-based approaches, we provide full control over the size, length and location of a RAID array on a per file basis, end-to-end data integrity checking, and parallelization of RAID array reconstruction. We have deployed our system in conjunction with the widely-used Lustre PFS, and show that our approach is feasible and imposes ac- ceptable overhead.

Split Converter-Fed SRM Drive for Flexible Charging in EV/HEV Applications

Electric vehicles (EVs) and hybrid EVs are the way forward for green transportation and for establishing low-carbon economy. This paper presents a split converter-fed four-phase switched reluctance motor (SRM) drive to realize flexible integrated charging functions (dc and ac sources). The machine is featured with a central-tapped winding node, eight stator slots, and six rotor poles (8/6). In the driving mode, the developed topology has the same characteristics as the traditional asymmetric bridge topology but better fault tolerance. The proposed system supports battery energy balance and on-board dc and ac charging. When connecting with an ac power grid, the proposed topology has a merit of the multilevel converter; the charging current control can be achieved by the improved hysteresis control. The energy flow between the two batteries is balanced by the hysteresis control based on their state-of-charge conditions. Simulation results in MATLAB/Simulink and experiments on a 150-W prototype SRM validate the effectiveness of the proposed technologies, which may provide a solution to EV charging issues associated with significant infrastructure requirements.

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Enhanced ethernet switching technology for adaptive hard real-time applications: Tecnologia de comutação ethernet melhorada para aplicações adaptativas e críticas de tempo-real

Os Sistemas Embarcados Distribuídos (SEDs) estão, hoje em dia, muito difundidos em vastas áreas, desde a automação industrial, a automóveis, aviões, até à distribuição de energia e protecção do meio ambiente. Estes sistemas são, essencialmente, caracterizados pela integração distribuída de aplicações embarcadas, autónomas mas cooperantes, explorando potenciais vantagens em termos de modularidade, facilidade de manutenção, custos de instalação, tolerância a falhas, entre outros. Contudo, o ambiente operacional onde se inserem estes tipos de sistemas pode impor restrições temporais rigorosas, exigindo que o sistema de comunicação subjacente consiga transmitir mensagens com garantias temporais. Contudo, os SEDs apresentam uma crescente complexidade, uma vez que integram subsistemas cada vez mais heterogéneos, quer ao nível do tráfego gerado, quer dos seus requisitos temporais. Em particular, estes subsistemas operam de forma esporádica, isto é, suportam mudanças operacionais de acordo com estímulos exteriores. Estes subsistemas também se reconfiguram dinamicamente de acordo com a actualização dos seus requisitos e, ainda, têm lidar com um número variável de solicitações de outros subsistemas. Assim sendo, o nível de utilização de recursos pode variar e, desta forma, as políticas de alocação estática tornam-se muito ineficientes. Consequentemente, é necessário um sistema de comunicação capaz de suportar com eficácia reconfigurações e adaptações dinâmicas. A tecnologia Ethernet comutada tem vindo a emergir como uma solução sólida para fornecer comunicações de tempo-real no âmbito dos SEDs, como comprovado pelo número de protocolos de tempo-real que foram desenvolvidos na última década. No entanto, nenhum dos protocolos existentes reúne as características necessárias para fornecer uma eficiente utilização da largura de banda e, simultaneamente, para respeitar os requisitos impostos pelos SEDs. Nomeadamente, a capacidade para controlar e policiar tráfego de forma robusta, conjugada com suporte à reconfiguração e adaptação dinâmica, não comprometendo as garantias de tempo-real. Esta dissertação defende a tese de que, pelo melhoramento dos comutadores Ethernet para disponibilizarem mecanismos de reconfiguração e isolamento de tráfego, é possível suportar aplicações de tempo-real críticas, que são adaptáveis ao ambiente onde estão inseridas.Em particular, é mostrado que as técnicas de projecto, baseadas em componentes e apoiadas no escalonamento hierárquico de servidores de tráfego, podem ser integradas nos comutadores Ethernet para alcançar as propriedades desejadas. Como suporte, é fornecida, também, uma solução para instanciar uma hierarquia reconfigurável de servidores de tráfego dentro do comutador, bem como a análise adequada ao modelo de escalonamento. Esta última fornece um limite superior para o tempo de resposta que os pacotes podem sofrer dentro dos servidores de tráfego, com base unicamente no conhecimento de um dado servidor e na hierarquia actual, isto é, sem o conhecimento das especifidades do tráfego dentro dos outros servidores. Finalmente, no âmbito do projecto HaRTES foi construído um protótipo do comutador Ethernet, o qual é baseado no paradigma “Flexible Time-Triggered”, que permite uma junção flexível de uma fase síncrona para o tráfego controlado pelo comutador e uma fase assíncrona que implementa a estrutura hierárquica de servidores referidos anteriormente. Além disso, as várias experiências práticas realizadas permitiram validar as propriedades desejadas e, consequentemente, a tese que fundamenta esta dissertação.

Dynamic power- and failure-aware cloud resources allocation for Sets of independent tasks

Cloud computing is increasingly being adopted in different scenarios, like social networking, business applications, scientific experiments, etc. Relying in virtualization technology, the construction of these computing environments targets improvements in the infrastructure, such as power-efficiency and fulfillment of users’ SLA specifications. The methodology usually applied is packing all the virtual machines on the proper physical servers. However, failure occurrences in these networked computing systems can induce substantial negative impact on system performance, deviating the system from ours initial objectives. In this work, we propose adapted algorithms to dynamically map virtual machines to physical hosts, in order to improve cloud infrastructure power-efficiency, with low impact on users’ required performance. Our decision making algorithms leverage proactive fault-tolerance techniques to deal with systems failures, allied with virtual machine technology to share nodes resources in an accurately and controlled manner. The results indicate that our algorithms perform better targeting power-efficiency and SLA fulfillment, in face of cloud infrastructure failures.

Replica management in real-time Ada 95 applications

In this paper, we present some of the fault tolerance management mechanisms being implemented in the Multi-μ architecture, namely its support for replica non-determinism. In this architecture, fault tolerance is achieved by node active replication, with software based replica management and fault tolerance transparent algorithms. A software layer implemented between the application and the real-time kernel, the Fault Tolerance Manager (FTManager), is the responsible for the transparent incorporation of the fault tolerance mechanisms The active replication model can be implemented either imposing replica determinism or keeping replica consistency at critical points, by means of interactive agreement mechanisms. One of the Multi-μ architecture goals is to identify such critical points, relieving the underlying system from performing the interactive agreement in every Ada dispatching point.

Aplicação de redes neuronais artificiais à deteção e isolamento de falhas em processos industriais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Real-Time Application Mapping for Many-Cores Using a Limited Migrative Model

Many-core platforms are an emerging technology in the real-time embedded domain. These devices offer various options for power savings, cost reductions and contribute to the overall system flexibility, however, issues such as unpredictability, scalability and analysis pessimism are serious challenges to their integration into the aforementioned area. The focus of this work is on many-core platforms using a limited migrative model (LMM). LMM is an approach based on the fundamental concepts of the multi-kernel paradigm, which is a promising step towards scalable and predictable many-cores. In this work, we formulate the problem of real-time application mapping on a many-core platform using LMM, and propose a three-stage method to solve it. An extended version of the existing analysis is used to assure that derived mappings (i) guarantee the fulfilment of timing constraints posed on worst-case communication delays of individual applications, and (ii) provide an environment to perform load balancing for e.g. energy/thermal management, fault tolerance and/or performance reasons.

O Futuro dos Centros de Dados

Atualmente, as Tecnologias de Informação (TI) são cada vez mais vitais dentro das organizações. As TI são o motor de suporte do negócio. Para grande parte das organizações, o funcionamento e desenvolvimento das TI têm como base infraestruturas dedicadas (internas ou externas) denominadas por Centro de Dados (CD). Nestas infraestruturas estão concentrados os equipamentos de processamento e armazenamento de dados de uma organização, por isso, são e serão cada vez mais desafiadas relativamente a diversos fatores tais como a escalabilidade, disponibilidade, tolerância à falha, desempenho, recursos disponíveis ou disponibilizados, segurança, eficiência energética e inevitavelmente os custos associados. Com o aparecimento das tecnologias baseadas em computação em nuvem e virtualização, abrese todo um leque de novas formas de endereçar os desafios anteriormente descritos. Perante este novo paradigma, surgem novas oportunidades de consolidação dos CD que podem representar novos desafios para os gestores de CD. Por isso, é no mínimo irrealista para as organizações simplesmente eliminarem os CD ou transforma-los segundo os mais altos padrões de qualidade. As organizações devem otimizar os seus CD, contudo um projeto eficiente desta natureza, com capacidade para suportar as necessidades impostas pelo mercado, necessidades dos negócios e a velocidade da evolução tecnológica, exigem soluções complexas e dispendiosas tanto para a sua implementação como a sua gestão. É neste âmbito que surge o presente trabalho. Com o objetivo de estudar os CD inicia-se um estudo sobre esta temática, onde é detalhado o seu conceito, evolução histórica, a sua topologia, arquitetura e normas existentes que regem os mesmos. Posteriormente o estudo detalha algumas das principais tendências condicionadoras do futuro dos CD. Explorando o conhecimento teórico resultante do estudo anterior, desenvolve-se uma metodologia de avaliação dos CD baseado em critérios de decisão. O estudo culmina com uma análise sobre uma nova solução tecnológica e a avaliação de três possíveis cenários de implementação: a primeira baseada na manutenção do atual CD; a segunda baseada na implementação da nova solução em outro CD em regime de hosting externo; e finalmente a terceira baseada numa implementação em regime de IaaS.

Une architecture parallèle distribuée et tolérante aux pannes pour le protocole interdomaine BGP au cœur de l’Internet

L’augmentation du nombre d’usagers de l’Internet a entraîné une croissance exponentielle dans les tables de routage. Cette taille prévoit l’atteinte d’un million de préfixes dans les prochaines années. De même, les routeurs au cœur de l’Internet peuvent facilement atteindre plusieurs centaines de connexions BGP simultanées avec des routeurs voisins. Dans une architecture classique des routeurs, le protocole BGP s’exécute comme une entité unique au sein du routeur. Cette architecture comporte deux inconvénients majeurs : l’extensibilité (scalabilité) et la fiabilité. D’un côté, la scalabilité de BGP est mesurable en termes de nombre de connexions et aussi par la taille maximale de la table de routage que l’interface de contrôle puisse supporter. De l’autre côté, la fiabilité est un sujet critique dans les routeurs au cœur de l’Internet. Si l’instance BGP s’arrête, toutes les connexions seront perdues et le nouvel état de la table de routage sera propagé tout au long de l’Internet dans un délai de convergence non trivial. Malgré la haute fiabilité des routeurs au cœur de l’Internet, leur résilience aux pannes est augmentée considérablement et celle-ci est implantée dans la majorité des cas via une redondance passive qui peut limiter la scalabilité du routeur. Dans cette thèse, on traite les deux inconvénients en proposant une nouvelle approche distribuée de BGP pour augmenter sa scalabilité ainsi que sa fiabilité sans changer la sémantique du protocole. L’architecture distribuée de BGP proposée dans la première contribution est faite pour satisfaire les deux contraintes : scalabilité et fiabilité. Ceci est accompli en exploitant adéquatement le parallélisme et la distribution des modules de BGP sur plusieurs cartes de contrôle. Dans cette contribution, les fonctionnalités de BGP sont divisées selon le paradigme « maître-esclave » et le RIB (Routing Information Base) est dupliqué sur plusieurs cartes de contrôle. Dans la deuxième contribution, on traite la tolérance aux pannes dans l’architecture élaborée dans la première contribution en proposant un mécanisme qui augmente la fiabilité. De plus, nous prouvons analytiquement dans cette contribution qu’en adoptant une telle architecture distribuée, la disponibilité de BGP sera augmentée considérablement versus une architecture monolithique. Dans la troisième contribution, on propose une méthode de partitionnement de la table de routage que nous avons appelé DRTP pour diviser la table de BGP sur plusieurs cartes de contrôle. Cette contribution vise à augmenter la scalabilité de la table de routage et la parallélisation de l’algorithme de recherche (Best Match Prefix) en partitionnant la table de routage sur plusieurs nœuds physiquement distribués.

Rezentralisierung: Server-Based Computing in der Praxis einer Universitätsbibliothek

Der Beitrag beschreibt die Ein- und Durchführung einer Server-basierten Computerinfrastruktur in einer Universitätsbibliothek. Beschrieben wird das so genannte MetaFrame-DV-Konzept der Universitätsbibliothek Kassel, das das dortige Informationsmanagement in den letzten vier Jahren initiiert, konzipiert und umgesetzt hat. Hierbei werden nunmehr nicht mehr nur Applikationsserver z.B. für das CD-Angebot eingesetzt, sondern sämtliche ca. 200 Mitarbeiter- und Funktionsarbeitsplätze über eine Citrix MetaFrame-Installation serverseitig betreut. Besonderes Augenmerk gilt in diesem Beitrag der Konfiguration, der praktischen Administration und den täglichen Arbeitsbedingungen an den Bibliotheksmitarbeiterarbeitsplätzen.

ADAM: A Decentralized Parallel Computer Architecture Featuring Fast Thread and Data Migration and a Uniform Hardware Abstraction

The furious pace of Moore's Law is driving computer architecture into a realm where the the speed of light is the dominant factor in system latencies. The number of clock cycles to span a chip are increasing, while the number of bits that can be accessed within a clock cycle is decreasing. Hence, it is becoming more difficult to hide latency. One alternative solution is to reduce latency by migrating threads and data, but the overhead of existing implementations has previously made migration an unserviceable solution so far. I present an architecture, implementation, and mechanisms that reduces the overhead of migration to the point where migration is a viable supplement to other latency hiding mechanisms, such as multithreading. The architecture is abstract, and presents programmers with a simple, uniform fine-grained multithreaded parallel programming model with implicit memory management. In other words, the spatial nature and implementation details (such as the number of processors) of a parallel machine are entirely hidden from the programmer. Compiler writers are encouraged to devise programming languages for the machine that guide a programmer to express their ideas in terms of objects, since objects exhibit an inherent physical locality of data and code. The machine implementation can then leverage this locality to automatically distribute data and threads across the physical machine by using a set of high performance migration mechanisms. An implementation of this architecture could migrate a null thread in 66 cycles -- over a factor of 1000 improvement over previous work. Performance also scales well; the time required to move a typical thread is only 4 to 5 times that of a null thread. Data migration performance is similar, and scales linearly with data block size. Since the performance of the migration mechanism is on par with that of an L2 cache, the implementation simulated in my work has no data caches and relies instead on multithreading and the migration mechanism to hide and reduce access latencies.

On the maximal connected component of hypercube with faulty vertices (II)

evaluating the fault tolerance of an interconnection network, it is essential to estimate the size of a maximal connected component of the network at the presence of faulty processors. Hypercube is one of the most popular interconnection networks. In this paper, we prove that for ngreater than or equal to6, an n-dimensional cube with a set F of at most (4n-10) failing processors has a component of size greater than or equal to2"-\F-3. This result demonstrates the superiority of hypercube in terms of the fault tolerance.

A lower bound on the size of k-neighborhood in generalized cubes

The determination of the minimum size of a k-neighborhood (i.e., a neighborhood of a set of k nodes) in a given graph is essential in the analysis of diagnosability and fault tolerance of multicomputer systems. The generalized cubes include the hypercube and most hypercube variants as special cases. In this paper, we present a lower bound on the size of a k-neighborhood in n-dimensional generalized cubes, where 2n + 1 <= k <= 3n - 2. This lower bound is tight in that it is met by the n-dimensional hypercube. Our result is an extension of two previously known results. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

An MPI-based implementation of intelligent agents on clusters

Recent research in multi-agent systems incorporate fault tolerance concepts, but does not explore the extension and implementation of such ideas for large scale parallel computing systems. The work reported in this paper investigates a swarm array computing approach, namely 'Intelligent Agents'. A task to be executed on a parallel computing system is decomposed to sub-tasks and mapped onto agents that traverse an abstracted hardware layer. The agents intercommunicate across processors to share information during the event of a predicted core/processor failure and for successfully completing the task. The feasibility of the approach is validated by implementation of a parallel reduction algorithm on a computer cluster using the Message Passing Interface.