Μελέτη και εφαρμογή της θεωρίας της Decomposability στην εκτίμηση υπολογιστικών συστημάτων

• Main Author: Νικολακόπουλος, Αθανάσιος Ν.
• Other Authors: Γαροφαλάκης, Ιωάννης
• Language: gr
• Published: 2012
• Subjects: Μαρκοβιανές αλυσίδες; Θεωρία ουρών αναμονής; Σχεδόν πλήρης αναλυσιμότητα; Πολυεπεξεργαστικά συστήματα; 519.82; Near complete decomposability; Markov chains; Queueing theory; Multiprocessing systems
• Online Access: http://hdl.handle.net/10889/5407

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της θεωρίας της Near Complete Decomposability (NCD) και η εφαρμογή της στην ανάλυση της απόδοσης ενός υπολογιστικού συστήματος, του οποίου η μοντελοποίηση με παραδοσιακές τεχνικές οδηγεί σε απαγορευτικά μεγάλο χώρο κατάστασης. Αρχικά, παραθέτουμε τα βασικά σημεία της θεωρίας όπως αυτή θεμελιώνεται μαθηματικά από τον Courtois στην κλασική του μονογραφία (Courtois, 1977), ενώ στη συνέχεια προβαίνουμε στη μοντελοποίηση ενός υποθετικού σταθμού εργασίας κάποιου πολυεπεξεργαστικού συστήματος, στο οποίο εκτελούνται ανά πάσα στιγμή το πολύ Κ έργα. Ο σταθμός εργασίας που μελετάμε διαθέτει buffer πεπερασμένου μεγέθους και είναι επιφορτισμένος με τη συγκέντρωση και το συνδυασμό των επιμέρους υποέργων κάθε έργου και την αποθήκευση του στη μνήμη. Οι κλασικές τεχνικές μοντελοποίησης του buffer οδηγούν σε ένα μοντέλο με πολύ μεγάλο χώρο κατάστασης. Ωστόσο εμείς μοντελοποιούμε μία συναθροιστική εκδοχή του αρχικού μοντέλου, η οποία υπό αρκετά ρεαλιστικές συνθήκες χαίρει της NCD ιδιότητας. Την ιδιότητα αυτή του μοντέλου μας τη δικαιολογούμε τόσο διαισθητικά, όσο και μαθηματικά. Επίσης, επιβεβαιώνουμε πως το NCD μοντέλο πετυχαίνει υψηλής ποιότητας εκτίμηση των πιθανοτήτων μόνιμης κατάστασης και μίας σειράς άλλων χρήσιμων μετρικών, με σημαντικά μικρότερο υπολογιστικό κόστος σε σχέση με το αρχικό μοντέλο, εκτελώντας μία σειρά μετρήσεων στο περιβάλλον Matlab. Παράλληλα, η αξιοποίηση του NCD μοντέλου αυξάνει σημαντικά την ικανότητά μας να ερμηνεύσουμε τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος καθώς αυτό οδεύει προς μια κατάσταση στατιστικής ισορροπίας. Τέλος, επιχειρούμε μία σειρά από “educated guesses” για πιθανές κλάσεις συστημάτων τα οποία θα μπορούσαν να αναλυθούν με μεθοδολογία αντίστοιχη με αυτήν που ακολουθήσαμε εμείς στο παρόν κείμενο. === The purpose of this diploma dissertation is, on one hand the brief study of the theory of Near Complete Decomposability (NCD), and on the other hand the application of NCD in the analysis of a system, the modeling of which leads to a prohibitively large state space. First, we point out the fundamental mathematical principles of NCD as established by Courtois in his classic monograph (Courtois, 1977). Then, we proceed to the modeling of a hypothetical service station (R) of a multiprocessing computer system, which executes at most K jobs simultaneously. R has a finite buffer and its duty is to combine the arriving tasks into a single job and store it to memory. The usual modeling techniques applied to this “task buffer”, lead to a model with extremely large state space. So, we construct a lumped model instead, which enjoys the property of NCD. We prove this, using intuitive arguments as well as mathematical ones. Then, we confirm that the NCD model achieves a reliable estimation of the steady state probability vector and other important metrics, with significantly reduced computational complexity in comparison with the initial model. Furthermore, the exploitation of the NCD model increases significantly our ability to understand the dynamics of our system and to interpret aspects of its transient behavior towards statistical equilibrium. Finally, we make a number of “educated guesses” about possible classes of systems that could be analyzed using the same kind of techniques we used in this dissertation.