110 research outputs found
EFFICIENT IMPLEMENTATIONS OF NETWORKING DEVICES ON MULTICORE HARDWARE PLATFORMS
Get PDFV doktorski disertaciji obravnavamo izboljšave večjedrnih omrežnih naprav na področju zmogljivosti in učinkovitosti. Glavni motiv za izboljšave so stalno prisotne zahteve po hitrih in zanesljivih povezavah med elektronskimi napravami vseh tipov. Te naprave omogočajo uporabnikom številne omrežne storitve, pri katerih je zahtevana neprekinjena povezljivost. Omrežja, ki to povezljivost omogočajo, vzpostavljajo in vzdržujejo omrežni operaterji, ki potrebujejo vedno bolj učinkovite izvedbe omrežnih naprav, s katerimi lahko zagotavljajo visoko kakovostne in stroškovno učinkovite omrežne storitve. Visoke zmogljivosti in energijsko učinkovitost je mogoče doseči z uporabo večjedrnih računalniških platform, ki v omrežjih pospešeno zamenjujejo enojedrne platforme. Uporaba večjedrnih platform sama po sebi ne prinese povečanja zmogljivosti, če jim programska oprema ni prilagojena, tako da lahko ustrezno izkorišča razpoložljive sistemske vire. Postopki obdelave omrežnega prometa v omrežnih napravah morajo biti izvedeni vzporedno, kar lahko dosežemo na dva načina: a) z uravnoteženim razporejanjem omrežnega prometa na razpoložljiva procesorska jedra in b) z vzporedno izvedbo omrežnih funkcionalnosti, ki jih nudi omrežna naprava. Za osnovi cilj doktorskega dela smo si zadali razvoj in ovrednotenje dveh inovativnih izboljšav za povečanje zmogljivosti in učinkovitosti večjedrnih omrežnih naprav. Prvo izboljšavo predstavlja adaptivna metoda razporejanja omrežnega prometa, ki smo jo zasnovali kot kombinacijo razporejanja omrežnega prometa na podlagi omrežnih paketov in na podlagi tokov. Pri tem je vsakemu procesorskemu jedru dodeljena izbrana količina žetonov, ki določajo koliko omrežnih paketov sme določeno jedro obdelati. Vsak obravnavan paket zmanjša število žetonov za enega. Žetoni se periodično prerazporejajo glede na povprečno obremenjenost procesorskih jeder, s čimer je breme obdelave omrežnega prometa uravnoteženo razporejeno med razpoložljiva jedra. Če omrežni paket sprejme jedro, ki nima več na voljo nobenega žetona, ga posreduje najbližjemu sosednjemu jedru, ki ima dostop do skupnega predpomnilnika, s čimer se minimalno poveča čas medjedrne komunikacije. Opisano metodo razporejanja omrežnega prometa smo vključili v omrežno napravo Linux Bridge in jo v preizkusnem okolju ovrednotili z dvema scenarijema. Pri prvem scenariju smo posnemali najmanj ugodne pogoje delovanja, pri katerih je poudarek na enem prevladujočem podatkovnem toku v omrežnem prometu, ki je vseboval veliko količino omrežnih paketov. Pri drugem scenariju pa smo posnemali hrbtenično internetno povezavo, pri čemer je mrežni promet sestavljen iz večjega števila tokov s približno enakomerno porazdelitvijo omrežnih paketov. V prvem primeru se zmogljivost, ki jo merimo s prepustnostjo, z uporabo predlagane izboljšave poveča za 2,8-krat, pri čemer smo uporabili štiri procesorska jedra. V drugem primeru pa zmogljivost ostane na približno enakem nivoju, kot pri razporejanju omrežnega prometa na podlagi tokov, ki je privzet način obravnave omrežnih paketov. Drugo izboljšavo predstavlja vzporedna izvedba šifriranja omrežnega prometa, s katerim sta zagotovljeni varnost in zasebnost omrežnih povezav. Pri tem smo uporabili kombinacijo postopkovne in podatkovne dekompozicije, s katero smo izvedbo pogostih šifrirnih algoritmov razdelili na več opravil, ki lahko tečejo sočasno. Ta opravila se morajo medsebojno usklajevati, kar med njimi zahteva dodatno komunikacijo, ki lahko zmanjša učinkovitost vzporedne izvedbe. Dodatna komunikacija ima sicer pri šifrirnih algoritmih, ki so večinoma računsko nezahtevni, še posebej velik učinek, saj lahko relativno malo komuniciranja hitro izniči pohitritve, ki so dosežene z vzporedno izvedbo. V okviru izboljšave smo zato dodatno optimizirali komunikacijo med opravili z uporabo atomarnih spremenljivk in vhodno-izhodnih vrst, ki ne potrebujejo zaklepanja kritičnih delov program. Vsa opravila smo dodelili sosednjim jedrom z dostopom do skupnega predpomnilnika in tako povečali hitrost medjedrne komunikacije. Rezultati vrednotenja prikazujejo dosežene pohitritve na računalniku z dvanajstimi jedri: 1,9 pri AES in 6,3 pri 3DES ter 7,6 pri RSA šifrirnem algoritmu. Poleg dveh opisanih izboljšav je v disertaciji predstavljena tudi metodologija za sistematično vrednotenje zmogljivosti in učinkovitosti večjedrnih omrežnih naprav. Definirali smo ključne kriterije za ovrednotenje zmogljivosti in učinkovitosti, ki poleg standardnih meril za zmogljivost in kakovost zagotavljanja storitev, vsebujejo tudi merila za merjenje izkoriščenosti sistemskih virov kot npr. obremenjenost procesorskih jeder, delež zadetkov predpomnilnika, pohitritve in učinkovitost vzporednih izvedb. Opisani so tudi postopki sistematičnega vrednotenja učinkovitosti omrežnih naprav, ki vključujejo izgradnjo preizkusnega okolja, pripravo preizkusnih orodij, izvedbo preizkusnih postopkov in analizo rezultatov.
Predstavljena metodologija je bila uporabljena za izvedbo primerjalnih meritev med različnimi izvedbami omrežnih naprav s poudarkom na primerjavi tradicionalnih strojno definiranih in hitro razvijajočih se programsko definiranih omrežnih napravah, ki tečejo na splošno dostopnih računalniških platformah. Primerjava je pokazala, da so strojno definirane omrežne naprave bistveno bolj zmogljive in tudi energijsko učinkovitejše v primerjavi s programsko definiranimi napravami. Le-te pa so zaradi veliko večje fleksibilnosti veliko bolj stroškovno učinkovite, saj je njihov razvoj enostavnejši in hitrejši, hkrati pa lahko pouporabljajo obstoječo računalniško opremo. Vanje je tudi enostavnejše vključevati inovativne izboljšave, kot npr. metode predstavljene v tem delu, hkrati pa se lažje vključujejo v sodobne koncepte omreženja, kot npr. virtualizacija omrežnih funkcionalnosti.The dissertation is focused in the performance and efficiency improvements of multi-core based networking devices. The main motivation for the improvements presented in this work are constantly growing demands for fast and reliable network communications between all types of electronic devices. These devices offer to users an ever increasing number of network-based services, which require a continuous connectivity to computer networks. Service providers, which must maintain these large networks, demand efficient networking devices, so they can provide cost-effective high-quality services. In order to meet these demands, single-core based networking devices are being replaced by multi-core based devices, which are able to offer significantly more performance and at the same time consume less power. The usage of multi-core networking devices itself, however, does not improve the performance, unless devices are modified in a way that all available hardware resources are utilized. Therefore, to make multi-core networking devices efficient, the process of handling the network traffic must be parallelized, which can be achieved by two different concepts: a) by a distribution of the network traffic among available processor cores and b) by a parallel implementation of offered network functionalities. The main goal of our work is to develop and evaluate two innovative improvements of networking devices, implemented on multi-core architectures, which can increase the performance and efficiency of networking. The first improvement is in development and implementation of an adaptive network-traffic-distribution method, which is a combination of packet-based and flow-based traffic distributions. In this method each core is assigned a specific amount of tokens, which represent the number of network packets that the core is allowed to process. Each processed packet consumes one token. The tokens are redistributed periodically according to the average core load, so the load of packet processing is balanced among available cores. If a core runs out of tokens, it assigns the packet to the nearest adjacent core, possibly operating on the shared cache memory, which minimizes the time of inter-core communications. We experimentally validated the method by integrating it in to the Linux Bridge and performed the tests with the “worst case” scenario, with one dominant flow, and the “backbone-link” scenario, with a large number of flows that have a similar packet rate. In the first case, the performance in traffic throughput is improved by a factor of 2.8 by utilizing four processing cores. In the second case with a large amount of traffic flows, the performance remains similar to the existing state-of-the-art flow-based methods. The second improvement is a parallelization of the network-traffic encryption process, which is used to ensure the safety and privacy of network communications. We combined functional and data decompositions to create many tasks in common encryption algorithm implementations that can run in parallel. These tasks, however, must be synchronized, which reduces the efficiency of the parallelization. Because encryption algorithms have low computational complexity, even low synchronization overhead can nullify the improvements of the parallelization. We therefore minimized the time of inter-task communication by assigning the tasks to adjacent cores with common cache memory and by using atomic variables and lock-free queues for network packet storage. The results of the verification show, that we achieve, on a computer with twelve cores, speedups of 1.9, 6.3 and 7.6 with encryption algorithms AES, 3DES and RSA, respectively.
In addition to the two presented methods we also defined a methodology for systematic efficiency evaluation of multi-core based networking devices. We defined key criteria that include standard performance and quality-of-service metrics as well as other indicators, which evaluated the utilization of system resources e.g., core load, cache hit ratio, speedup and parallel efficiency. We described steps required to perform the systematic evaluation, which include establishing a testing environment, preparing testing tools, conducting testing procedures defined according to evaluation criteria, and analyzing the results. The established testing methodology was used to compare different implementations of networking devices with the focus on the comparison of traditional hardware-defined networking devices with the emerging software-defined networking devices, which are implemented entirely in software and run on the commercial-of-the-shelf hardware. The results have shown, that hardware defined networking devices achieve more performance and are also significantly more energy efficient than software-defined devices. The latter are on the other hand much more flexible, which results in a simple and cost effective development. Due to their flexibility, the previously described performance-improvement methods can be more easily embedded in the software-defined devices. Additionally, they can be easily used in contemporary networking concepts such as the network functions virtualization
IMPLEMENTATION OF A PARALLEL COMPUTER SYSTEM WITH ADAPTIVE INTERCONNECTION NETWORK TOPOLOGY
Get PDFDiplomsko delo zajema teoretični pregled in praktično vzpostavitev vzporednega
računalnika na Oddelku za komunikacijske sisteme Instituta "Jožef Stefan". Vzporedni
računalnik ima možnost programsko spremenljive topologije omrežja in je namenjen
optimizaciji vzporednih računskih algoritmov, ki se uporabljajo v simulacijah in optimizacijah.
Tematika diplomskega dela je skozi šest poglavij zajeta v naslednje tri vsebinske dele.
V prvem delu je opisana metodologija pretvorbe matematičnih problemov v računalniške
in njihova razdelitev na manjše dele, ki so primerni za vzporedno računanje. Poleg tega
so v prvem poglavju opisane različne računalniške arhitekture, eno procesorske in več procesorske.
V drugem delu je opis postavitve samega sistema ter opis metode za adaptivno
konfiguracijo omrežja. Ta del zajema tudi konfiguracijo operacijskega sistema GNU/Linux
ter zagon sistemov preko omrežja. Zadnji vsebinski del pa zajema opis meritev, testiranje
sistema ter zaključek.Bachelor thesis covers theoretical as well as practical set up of parallel computer at Department of Communication Systems "Jožef Stefan" Institute. Parallel computer with software reconfigurable network topology is intended to be used for optimisation of parallel computing algorithms, which are used in simulations and optimisations. The bachelor thesis has six chapters, which are divided into three content parts. The first part describes methodology of conversion of mathematical problems into computational ones and their division into smaller parts, which are suitable for parallel computation. Furthermore in the first chapter different computer architectures are described, i.e. single processor and multiprocessor. The second part describes a set up of the system itself and a description of a method for adaptive network configuration. This part also includes a configuration of GNU/Linux operating system and boot of the system over a network. The last part includes description of performed measurements, system testing and conclusion
Personalizirana sinteza dvanaestkanalnog elektrokardiograma iz bipolarnih mjerenja
No full textConsidering the fact that almost complete electrocardiographic diagnostic knowledge is accumulated and described on the basis of the 12-lead electrocardiogram (ECG), it is a favorable characteristic of any system with a reduced number of leads to be able to synthesize the 12-lead ECG. In order to obtain the best synthesis, the measuring sites and transformation parameters both have to be personalized, because every human body has unique anatomy and anthropometric measures. This thesis proposes a new approach for synthesizing the standard 12-lead ECGs, and multichannel ECGs, from three bipolar leads formed by pairs of proximal electrodes on the body surface that that are called differential leads. The differential leads are aimed to be measured by modern devices named wireless electrodes, but they can also be measured by some other devices, e.g. devices that employ smart textiles. Wireless electrodes are lightweight and practical devices that enable the minimal use of wires on the body, which in turn simplifies and improves the acquisition of ECGs. The thesis shows that the optimal number of differential leads to be used for practical applications is three. The new algorithm developed by the research covered with this thesis, searches for optimal personalized differential leads and the corresponding personalized transformation matrix, that is used to synthesize the standard 12-lead ECG or a multichannel ECG, for each person. In addition to the personalized approach, the thesis presents procedures for the other two synthesis approaches: universal and combined. The evaluation results show that the personalized approach significantly outperforms standard EASI system 12-lead ECG synthesis, in terms of the correlation coefficient and the root mean square distance. Additional evaluations by applying features comparison and diagnostic rules, show that wireless electrodes are an acceptable alternative to the standard 12-lead ECG device for patients with chronic myocardial ischemia, if either the fully personalized or combined approach is used. The median correlation coefficients between the synthesized and target 12-lead ECGs are all higher than 0.94 and 0.92 for the fully personalized and combined approaches respectively. The corresponding kappa and percentual diagnostic agreements are 0.88 (95%) and 0.83 (92%), respectively. The evaluations additionally show that the personalization of the transformations has more impact on the quality of the synthesized ECGs than the personalization of the wireless electrodes’ positions. Considering all the conducted evaluations of the synthesized 12-lead ECGs and synthesized multichannel ECGs, it may be concluded that the 12-lead ECG system derived from differential leads is a viable option that can simplify and ease the ECG acquisition, and improve the outpatient and inpatient monitoring.S obzirom da je skoro kompletno elektrokardiografsko dijagnostičko znanje akumulirano i objašnjeno na osnovu 12-kanalnog elektrokardiograma (EKG-a), poželjna je karakteristika svakog sustava s reduciranim brojem odvoda da se iz njega može sintetizirati 12-kanalni EKG. S obzirom da ljudsko tijelo ima jedinstvenu anatomiju i antropometrijske mjere, da bi se postigla što bolja sinteza potrebno je personalizirati i mjerne točke i transformacijske parametre EKG sustava s reduciranim brojem odvoda iz kojeg se sintetizira 12-kanalni EKG. U sklopu ove disertacije razvijen je i predložen novi pristup prema sintezi 12-kanalnog i multikanalnog EKG-a iz bipolarnih odvoda koji se formiraju iz parova bliskih elektroda na površini tijela. Takvi bipolarni odvodi nazvani su diferencijalni odvodi. Njihova izvorna namjena je da ih se mjeri s modernim uređajima koji se nazivaju „bežične elektrode“, ali mogu biti mjereni i s drugim uređajima kao što su na primjer uređaji koji koriste „pametne tekstile“. Bežične elektrode su lagani i praktični uređaji koji omogućavaju minimalnu upotrebu žica, te na taj način unaprjeđuju i pojednostavljuju akviziciju EKG-a. Ova disertacija pokazuje da je tri optimalan broj diferencijalnih odvoda za praktične primjene. Novi algoritam razvijen u sklopu ove disertacije pronalazi optimalne personalizirane pozicije diferencijalnih odvoda, te pripadajuću linearnu transformaciju koja sintetizira standardni 12-kanalni EKG, ili multikanalni EKG za svaku osobu. Uz personalizirani pristup sintezi disertacija također specificira i procedure za ostala dva pristupa sintezi: univerzalni i kombinirani. Evaluacija sintetiziranih EKG-ova upotrebom korelacijskog koeficijenta i srednje kvadratne udaljenosti, pokazuje da personalizirani pristup sintezi značajno nadmašuje sintetizirane 12-kanalne EKG-ove dobivene upotrebom EASI sustava odvoda. Dodatna evaluacija korištenjem usporedbe karakteristika EKG signala i korištenjem dijagnostičkog pravila, pokazuje da su bežične elektrode prihvatljiva alternativa standardnom 12-kanalnom EKG uređaju za pacijente s dijagnozom ishemije miokarda, ako se za sintezu koristi personalizirani ili kombinirani pristup. Pokazuje se da su medijani korelacijskih koeficijenata između sintetiziranih i ciljnih (mjerenih) EKG-ova svi veći od 0.94 za personalizirani pristup, te veći od 0.92 za kombinirani pristup sintezi. Pripadajuća kappa i postotna podudaranja u dijagnozi su 0.88 (95%) za personalizirani pristup, te 0.83 (92%) za kombinirani pristup sintezi. Evaluacija dodatno pokazuje da personalizacija transformacije utječe više na kvalitetu sintetiziranog EKG-a nego personalizacija pozicija bežičnih elektroda. U uvodnom poglavlju dan je opis i klasifikacija elektrokardiografskih sustava te je sustav diferencijalnih odvoda stavljen u kontekst današnje elektrokardiografije. U nastavku uvodnog poglavlja opisane su teoretske osnove elektrokardiografskih sustava te osnovne teorije sinteze elektrokardiografskih odvoda. Ostatak uvodnog poglavlja posvećen je metodama sinteze odvoda, a te su metode i teoretski potkrijepljene. Također su opisane i standardne metode evaluacije algoritama sinteze, a priložena je i usporedba različitih pristupa sintezi EKG-a. Nakon uvodnog poglavlja slijedi poglavlje s specifikacijom ciljeva i hipoteza ove disertacije. U nastavku je dan pregled radova i istraživanja iz područja izvedenih EKG sustava, tj. reduciranih sustava odvoda iz kojih se sintetizira 12-kanalni EKG. Pri tome su postojeći sustavi s reduciranim skupom odvoda, tj. sustavi koji koriste manje od osam nezavisnih odvoda, klasificirani prema tipu odvoda koje koriste, a u isto vrijeme su i poredani kronološki. Slijedi poglavlje s opisom materijala i metoda korištenih u istraživanjima pokrenutim u sklopu ove disertacije. Opisana su korištena multikanalna mjerenja, njihova inicijalna obrada i filtriranje, te metodologija prikupljanja i provođenja mjerenja. Nakon toga slijedi opis algoritama i metoda razvijenih i otkrivenih u sklopu istraživanja koja su napravljena u sklopu ove disertacije. Matematički su definirani potrebni pojmovi i diferencijalni odvodi. Zatim je opisan sam novi algoritam za izabir personaliziranih diferencijalnih odvoda. Nakon toga je opisna i metodologija koja je korištena za univerzalnu i kombiniranu sintezu 12-kanalnih, ali i multikanalnih EKG-ova. Navedene su i specifičnosti evaluacijskih metoda korištenih u sklopu ovog istraživanja. Nakon poglavlja s metodama slijedi poglavlje koje opisuje rezultate obavljenih istraživanja. Prvo su navedeni višestruki rezultati koji zajedno pokazuju da je optimalan broj diferencijalnih odvoda tri. Nakon toga slijedi potpoglavlje koji pokazuje rezultate primjene novog algoritma izbora diferencijalnih odvoda i sinteze EKG-a. Nakon toga je u zasebnim odjeljcima dan pregled rezultata evaluacija sintetiziranih EKG-ova. Poglavlje završava s opisom novo-razvijene metode prijenosa mjerenih diferencijalnih odvoda na napredni mobilni telefon ili osobno računalo, te s opisom uloge sintetiziranih EKG-ova, dobivenih iz diferencijalnih odvoda, u konceptualnom sistemu za udaljeno praćenje vitalnih funkcija čovjeka. Nakon toga slijedi poglavlje u kojem se diskutira o osnovnim hipotezama, rezultatima, i ograničenjima provedenih istraživanja. Prvo se analizira novi algoritam i njegova upotrebljivost. Zatim slijedi potpoglavlje koji razmatra karakteristike diferencijalnih odvoda te diskutira o upotrjebljenom broju diferencijalnih odvoda. U trećem potpoglavlju ovog poglavlja agregiraju se svi rezultati dobiveni evaluacijama, a poglavlje završava s analizom buduće upotrebljivosti i korisnosti novog algoritma i odvoda u zdravstvenoj zaštiti. Disertacija završava s zaključnim poglavljem u kojem su navedeni zaključci disertacije i osvrt prema ciljevima koji su bili predviđeni istraživanjem. Zaključeno je da su svi zacrtani ciljevi istraživanja ostvareni te da je istraživanje doprinijelo istinitosti postavljenih hipoteza. Kad se uzmu u obzir sve provedene evaluacije sintetiziranih 12-kanalnih i multikanalnih EKG-ova, može se zaključiti da sustav koji sintetizirana 12-kanalni EKG iz tri diferencijalna odvoda je upotrebljiv i može unaprijediti elektrokardiografiju u budućnosti, te također da može unaprijediti bolničko i vanbolničko praćenje pacijenata
Computer analysis of multichannel ECG
No full textMultichannel electrocardiography (MECG) is an extension of the conventional electrocardiography that is aimed at re ning the non-invasive characterisation of cardiac activity. Body surface mapping is a graphical presentation of cardiac activity as measured from the body surface. Body surface maps can show the distribution of the potential at a selected moment in time or over a speci ed time interval. A new family of maps, based on the characteristics derived from the complete analysed beat, is described. Some new computer supported methods, which are able to calculate automatically di erent temporal maps, are proposed. MECG measurements can be seen in this context as a powerful research and clinical tool for improving the resolution of cardiac measurements
Optimal Diagnostic Examination for Local Diagnosis
No full textThe paper deals with mesh-connected massively-parallel systems affected by failures. The complexity of a local diagnostic procedure, based on new definitions of the local k-diagnosability and the r-fault-tolerance, is analysed. It depends on distances between individual fault clusters and on fault cluster diameters. In particular cases the minimum distance between fault clusters can be enlarged onto the account of the maximum fault cluster diameter, for example, by the merging of two clusters. The criterion function for the optimal diagnostic examination for local diagnosis is proposed. Keywords -- massively-parallel system, fault cluster, local diagnosis, diagnosability, fault-tolerance. 1 Introduction Complex systems usually consist of many simple parts that are incorporated into a regular array. Regularity is a basic principle in nature; however, ideal regularity is rare because some of the building blocks are faulty. Integrated circuits can be fabricated on a silicon wafer as a ..
- …
