Αρχιτεκτονικές λογισμικού για περιβάλλοντα επίλυσης προβλημάτων και εφαρμογές στο ασύγχρονο μοντέλο υπολογισμού

• Κύριος συγγραφέας: Κόλλιας, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Γαλλόπουλος, Ευστράτιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2010
• Θέματα: Περιβάλλοντα επίλυσης προβλημάτων; Ασύγχρονα μοντέλο υπολογισμού; Πλέγματα; Διάταξη ιστοσελίδων; Αλγόριθμοι Gossip; Problem solving environments; Asynchronous computation models; Jylab; Grids; Webpage ranking; Gossip algorithms; 502.85

Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες o Πληροφορικός-Επιστήμονας των Υπολογισμών να εκθέσει με εύληπτο τρόπο τη γνώση και εμπειρία του στις κοινότητες εκείνων που θέλουν να κάνουν υπολογισμούς. Κάτι τέτοιο έχει καταστεί δυνατό με την κατασκευή σύνθετων στη δομή, αλλά εύκολων στη χρήση, εργαλείων-περιβαλλόντων υπολογισμού στα οποία κανείς μπορεί με εντελώς φυσικό τρόπο να προδιαγράψει το πρόβλημά του και -ανάλογα με την εμπειρία του- να επέμβει στη ροή επίλυσής του. Τα Περιβάλλοντα Επίλυσης Προβλημάτων (ΠΕΠ) προβάλλουν λοιπόν ως μια πολύ ελκυστική λύση για τον επιστήμονα των εφαρμογών που αναζητεί μια εύχρηστη, ισχυρή και αξιόπιστη πλατφόρμα λογισμικού για τους υπολογισμούς του. Σε πολλές περιπτώσεις αυτοί οι υπολογισμοί είναι πολύ μεγάλης κλίμακας και απαιτούν πολυάριθμους και αποδοτικούς πόρους. Η τιθάσευσή τους σε κάποια έκταση έγινε δυνατή με τη στροφή σε παράλληλες-κατανεμημένες αρχιτεκτονικές, πρόσφατα μεγάλης κλίμακας, με έμφαση στην ευχρηστία, στην ασφάλεια πρόσβασης και στη συνεργατικότητα (Πλέγμα (Grid)). Σε άλλες περιπτώσεις οι πολυπύρηνοι επεξεργαστές που εξοπλίζουν πλέον τους τυπικούς οικιακούς υπολογιστές μας και οι προβλέψεις για αθρόα κλιμάκωση του αριθμού των προσφερόμενων πυρήνων, προτρέπουν σε επαναδιαπραγμάτευση κλασικών αλγορίθμων με στόχευση στην εξαγωγή παραλληλίας, αφού πλέον αυτή μπορεί να απεικονιστεί άμεσα στο διαθέσιμο υλικό. Επιπρόσθετα μια τέτοια στροφή ώθησε και τη διερεύνηση εναλλακτικών μοντέλων υπολογισμού: Το ασύγχρονο μοντέλο υπολογισμού προσφέροντας τη δυνατότητα για εξάλειψη των χρονοβόρων φάσεων συγχρονισμού των πολλαπλών μονάδων επεξεργασίας προβάλλει ως μια ενδιαφέρουσα επιλογή. Συστηματοποιούμε τη μελέτη των Περιβαλλόντων Επίλυσης Προβλημάτων (ΠΕΠ) εντοπίζοντας τους άξονες που χαρακτηρίζουν αυτήν την κατηγορία συστημάτων λογισμικού και υλοποιώντας το Jylab, ένα πρωτότυπο ΠΕΠ με έμφαση στη φορητότητα, την επαναχρησιμοποίηση ελεύθερα διαθέσιμου κώδικα και τη δυνατότητα για ακολουθιακό, παράλληλο και κατανεμημένο υπολογισμό σε πολλαπλές πλατφόρμες. Ειδικότερα, το Jylab περιλαμβάνει υποστήριξη για ασύγχρονο κατανεμημένο υπολογισμό, ανάλυση ιστογραφημάτων και εκτέλεση υπολογισμών στο Πλέγμα (Grid). Αμέσως μετά εισάγουμε το ασύγχρονο μοντέλο υπολογισμού εστιάζοντας σε καίρια ζητήματα όπως η ανάλυση της σύγκλισης, η ανίχνευση του τερματισμού και η υλοποίησή του. Προτείνουμε πιθανοτικό πλαίσιο εντοπισμού της σύγκλισης και διερευνούμε την πολυπλοκότητα του μοντέλου. Στη συνέχεια μελετούμε αλγορίθμους διάταξης των κόμβων ενός γραφήματος, επικεντρώνοντας στον υπολογισμό του διανύσματος του PageRank το οποίο χρησιμοποιεί η Google για να διατάξει τα αποτελέσματα μιας ερώτησης που υποβάλλουμε στη μηχανή αναζήτησής της. Αποδεικνύουμε πως και άλλες μέθοδοι διάταξης, οι οποίες εκφράζονται πρωταρχικά ως δυναμοσειρές ενός τροποποιημένου μητρώου συνδέσμων μπορούν να γραφτούν ως γινόμενα των επαναληπτικών μητρώων που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό του διανύσματος PageRank, αλλά με διαφορετική παράμετρο σε κάθε όρο τους (μέθοδος της πολυπαραμετρικής απόσβεσης). Στη συνέχεια εκθέτουμε την πειραματική συμπεριφορά του ασύγχρονου μοντέλου, όπως αυτή προκύπτει από υλοποιήσεις κυρίως του αλγορίθμου του PageRank, σε διάφορες πλατφόρμες (τοπικά, στη συστάδα υπολογισμών και στο Πλέγμα (Grid)) και με μονάδες εκτέλεσης νήματα ή διεργασίες. To Jylab χρησιμοποιήθηκε εντατικά σε αυτές τις διερευνήσεις και αποδείχτηκε πως όλοι οι πειραματισμοί μπορούν να τεθούν κάτω από ενιαίο πλαίσιο λογισμικού. Επίσης εισάγουμε μια κλάση αλγορίθμων κατανεμημένου υπολογισμού στατιστικών μεγεθών, τους gossip αλγορίθμους, σε κάθε στοιχειώδες βήμα των οποίων μόνο δύο οντότητες επικοινωνούν και υπολογίζουν. Επεκτείνουμε αυτούς τους αλγορίθμους επιτρέποντας σε k > 2 οντότητες να αλληλεπιδρούν ανά βήμα, προσομοιώνουμε τη συμπεριφορά τους και προτείνουμε πρωτόκολλα υλοποίησής τους.