Registration Number
0825U001973, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
10-07-2025
popup.evolution
o
Title
Methods and tools of increasing the fault tolerance and efficiency of computer systems' topologies
Author
Oleksandr O. Honcharenko,
popup.head Artem M. Volokyta
popup.opponent Volodymyr Opanasenko
popup.opponent Oleksandr Dodonov
popup.review Iryna A. Klymenko
popup.review Olha Rusanova
popup.rada
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Description
Робота присвячена розробці методу синтезу топологій на основі надлишкових кодів та методу синтезу ієрархічних топологій, що дозволяють підвищити відмовостійкість масштабованих високопродуктивних систем, а також покращити їх ефективність.
Розроблено нову математичну модель топології на основі надлишкового коду, що відрізняється від існуючих моделей використанням алфавіту, основи числення та довжини коду для визначення кількості альтернативних представлень довільного числа в заданій системі числення, та дозволяє прогнозувати максимальну кількість вершин з однаковим номером у графі, кількість вершин з унікальними (не-надлишковими) номерами.
Запропоновано новий спосіб формування імпліцитних кластерів в надлишкових топологіях, що відрізняється від існуючих використанням спеціальної багатовимірної матриці надлишкових представлень та кодування індексів в спеціальній системі числення та дозволяє формувати ребра між такими вершинами для топологій на основі кодів із певними співвідношеннями потужності алфавіту та основи числення.
Набув розвитку метод синтезу відмовостійких топологій на основі надлишкового коду, що відрізняється від існуючих використанням кодових перетворень, в тому числі послідовностей де Бруйна, в надлишкових системах числення та створенням нових зв’язків у таких топологіях за допомогою перетворень заміщення над кодами, які описують індекс альтернативного представлення в багатовимірній матриці надлишкових представлень, що дозволяє синтезувати відмовостійкі топології заданого порядку, в тому числі з імпліцитними кластерами.
Запропоновано новий метод масштабування ієрархічних топологій, що відрізняється від існуючих використанням декартового добутку, деревовидних структур та рекурентного вкладення кластерів, що дозволяє поєднати відмовостійкі топології, синтезовані на основі надлишкового коду, із класичними топологіями, такими як гіперкуб та dragonfly.
Запропоновано новий спосіб моделювання відмов в топологіях, що відрізняється від існуючих використанням різних підходів до випадкового формування черги відмов, в тому числі з урахуванням коєфіцієнту посередництва, та дозволяє при заданій кількості відмов вузлів аналізувати імовірність розриву зв’язності графа, підрахувати топологічні характеристики та їх зміну відносно початкового (безвідмовного) стану топології.
Для експериментального дослідження запропонованих методів було розроблено ряд інструментальних засобів з використанням мови Python та бібліотеки NetworkX.
Розроблено інструментальний засіб для моделювання характеристик топологій на основі бібліотеки NetworkX, який за рахунок запропонованого способу формування імпліцитних кластерів в надлишкових топологіях дозволяє дослідити топологічні характеристики графів, отриманих з використання запропонованих методів, та виконати їх порівняння із класичними топологіями, такими як гіперкуб, жирне дерево, dragonfly та dragonfly+, а також багатовимірні тори, включаючи топологію суперкомп’ютерна Fugaku.
Розроблено інструментальний засіб для моделювання відмов в топологіях, який є реалізацією запропонованого способу моделювання відмов в топологіях та дозволяє дослідити поведінку топологій в умовах наростаючого числа відмов і таким чином порівняти відмовостійкість запропонованих та існуючих графів.
Проведено експериментальне дослідження запропонованих методів, що включає в себе аналіз топологічних характеристик та аналіз відмовостійкості окремо для безпосередньо-зв’язаних (на основі надлишкового коду) та комутованих (ієрархічних) мереж. Розроблені методи продемонстрували суттєве підвищення відмовостійкості та ефективності, дозволяючи покращити загальні топологічні характеристики, такі як мультиплікативна характеристика ступеня та діаметра (SD), для якої продемонстровано покращення в діапазоні 6.7-69.2%. Запропоновані рішення продемонстрували на 26,3% вищу відмовостійкість при 50% відмов для графів безпосередно-зв’язаних мереж і на 15,7% вищу при 40% відмов для комутованих мереж.
Розглянуті графи є конкурентоспроможними у порівнянні із популярними рішеннями в предметній сфері, такими як топологія жирного дерева та dragonfly. Порівняння із топологією суперкомп’ютера Fugaku (найефективніший на сьогодні суперкомп’ютер з точки зору тесту HPCG) показало значну перевагу розроблених рішень (покращення SD на 69,2%, краща топологічна ефективність на 103,4%).
Розроблені топологічні рішення можуть бути застосовані при розробці комп’ютерних систем з масовим паралелізмом, кластерних систем та датацентрів, а також комп’ютерних мереж, включаючи мережі, що керуються програмним забезпеченням.
Registration Date
2025-05-27
popup.nrat_date
2025-05-27 / 2026-07-01
