Методи та засоби підвищення відмовостійкості та ефективності топологій комп’ютерних систем

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorВолокита, Артем Миколайович
dc.contributor.authorГончаренко, Олександр Олексійович
dc.date.accessioned2025-06-30T09:19:44Z
dc.date.available2025-06-30T09:19:44Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractГончаренко О.О. Методи та засоби підвищення відмовостійкості та ефективності топологій комп’ютерних систем. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 123 – Комп’ютерна інженерія з галузі знань 12 – Інформаційні технології. – Національний Технічний Університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. 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 (ненадлишковими) 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 вбагатовимірній 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 підвищеннявідмовостійкості 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.
dc.description.abstractotherHoncharenko O.O. Methods and tools of increasing the efficiency of scalable highperformance computing systems. - Qualified scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 123 - Computer Engineering and 12 -Information Technologies. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. The work is devoted to the development of a method for synthesizing topological organizations based on redundant codes and a method for synthesizing hierarchical topological organizations, which allow increasing the efficiency of scalable highperformance systems, as well as ensuring their fault tolerance. A new mathematical model of topology based on redundant numeral code has been developed, which differs from existing models by using the alphabet, base of number, and code length to determine the number of alternative representations of an arbitrary number in a given numeralsystem, and allows predicting the maximum number of vertices with the same number in a graph, the number of vertices with unique (non-redundant) numbers A new method of forming implicit clusters in redundant topologies is proposed, which differs from existing ones by using a special multidimensional matrix of redundant representations and encoding indices in a special number system and allows forming edges between such vertices for topologies based on codes with certain ratios of the power of the alphabet and the base of the number. A method for synthesizing fault-tolerant topologies based on redundant numeral code has been developed, which differs from existing ones by using code transformations, including de Bruijn sequences, in redundant numeralsystems and creating new connections in such topologies using exchange transformations over codes that describe the index of an alternative representation in a multidimensional matrix of redundant representations, which allows synthesizing fault-tolerant topologies of a given rank, including those with implicit clusters. A new method for scaling hierarchical topologies is proposed, which differs from existing ones by using the Cartesian product, tree structures, and recurrent cluster nesting, which allows combining fault-tolerant topologies synthesized based on redundant numeral code with classical topologies such as hypercube and dragonfly. A new method of modeling failures in topological organizations is proposed, which differs from existing ones by using different approaches to random formation of a failure queue, including taking into account the betweenness centrality coefficient, and allows, for a given number of node failures, to analyze the probability of a graph disconnection, calculate topological characteristics and their change relative to the initial (fault-free) state of the topology. For experimental research of the proposed methods, a number of tools were developed using the Python programming language and the NetworkX library. A tool for modeling the characteristics of topologies based on the NetworkX library has been developed, which, due to the proposed method of forming implicit clusters in redundant topologies, allows us to investigate the topological characteristics of graphs obtained using the proposed methods and compare them with classical topologies, such as hypercube, fat tree, dragonfly and dragonfly+, as well as multidimensional tori, including the Fugaku supercomputer topology. A tool for modeling failures in topological organizations has been developed, which is an implementation of the proposed method for modeling failures in topological organizations and allows you to study the behavior of topologies under conditions of an increasing number of failures and thus compare the fault tolerance of the proposed and existing graphs. An experimental study of the proposed methods was conducted, which includes an analysis of topological characteristics and a fault tolerance analysis separately for directly connected (based on redundant numeral code) and switched (hierarchical) networks. The developed methods demonstrated a significant increase in fault tolerance and efficiency, allowing to improve general topological characteristics, such as the multiplicative characteristic of degree and diameter (SD), for which an improvement in the range of 6.7- 69.2% was demonstrated. The proposed solutions demonstrated a 26.3% higher fault tolerance at 50% failures for graphs of directly connected networks and a 15.7% higher at 40% failures for switched networks. The considered graphs are competitive in comparison with popular solutions in the subject area, such as fat tree topology and dragonfly. Comparison with the topology of the Fugaku supercomputer (the most efficient supercomputer today in terms of HPCG test) showed a significant advantage of the developed solutions (SD improvement by 69.2%, better topological efficiency by 103.4%). The developed topological solutions can be applied in the development of massively parallel computing systems, cluster systems and data centers, as well as computer networks, including software-controlled networks
dc.format.extent276 с.
dc.identifier.citationГончаренко, О. О. Методи та засоби підвищення відмовостійкості та ефективності топологій комп’ютерних систем : дис. … д-ра філософії : 123 Комп’ютерна інженерія / Гончаренко Олександр Олексійович. – Київ, 2025. – 276 c.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74520
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectвідмовостійкість
dc.subjectефективність
dc.subjectтопологія
dc.subjectмережа
dc.subjectматематичне моделювання
dc.subjectієрархічні структури
dc.subjectмережеві топологічні організації
dc.subjectживучість
dc.subjectпрограмний засіб
dc.subjectалгоритм
dc.subjectбагаторівневі структури
dc.subjectвисокопродуктивні системи
dc.subjectпаралельні обчислення
dc.subjectрозподілені обчислення
dc.subjectмасштабування
dc.subjectпослідовності де Бруйна
dc.subjectнадлишковий код
dc.subjectfault tolerance
dc.subjectefficiency
dc.subjecttopology
dc.subjectnetwork
dc.subjectmathematical simulation
dc.subjecthierarchical structures
dc.subjectnetwork topological organizations
dc.subjectsurvivability
dc.subjectsoftware tool
dc.subjectalgorithm
dc.subjectmultilevel structures
dc.subjecthigh performance computing
dc.subjectparallel computing
dc.subjectdistributed computing
dc.subjectscaling
dc.subjectde Bruijn sequences
dc.subjectredundant numeral code
dc.subject.udc004.72
dc.titleМетоди та засоби підвищення відмовостійкості та ефективності топологій комп’ютерних систем
dc.title.alternativeMethods and tools of increasing the efficiency of scalable highperformance computing systems
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Honcharenko_dys.pdf
Розмір:
12.71 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ОТ)
Дисертації (вільний доступ)