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Tipo: Tese
Título: Contribuições à modelagem e à simulação de sistemas distribuídos usando redes de Petri coloridas - alocação de webcaches e particionamento de modelos em processos independentes
Autor(es): Furtado Júnior, Corneli Gomes
Orientador: Barroso, Giovanni Cordeiro
Coorientador: Soares, José Marques
Palavras-chave: Teleinformática;Modelagem computacional;Métodos de simulação;Modeling;Simulation;Distributed systems
Data do documento: 2016
Citação: FURTADO JÚNIOR, C. G. Contribuições à modelagem e à simulação de sistemas distribuídos usando redes de Petri coloridas - alocação de webcaches e particionamento de modelos em processos independentes. 2016. 109 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016.
Resumo: A investigação de aspectos específicos de um sistema computacional por meio de simulações possibilita identificar antecipadamente falhas, bloqueios e instabilidades, entre outros aspectos. Reduzem-se, assim, os custos e os riscos associados à implementação de sistemas, viabilizandose a análise de projetos desses sistemas em diferentes cenários. Com esta finalidade, as Redes de Petri coloridas (RPC) vêm sendo frequentemente utilizadas. Entretanto, simular sistemas em múltiplos níveis de abstração, incluindo análises específicas e avaliações de desempenho, podem requerer conhecimentos técnicos altamente especializados, aumentando o custo do próprio trabalho de simulação. Adicionalmente, simuladores desenvolvidos para grandes sistemas e que permitam configurações complexas podem exigir elevada quantidade de recursos computacionais, comprometendo simulações realizadas por meio de RPC. Visando fornecer mecanismos que permitam reduzir o custo da extensibilidade e aumentar a robustez de simuações realizadas em RPC, são apresentadas neste trabalho duas contribuições. Na primeira, apresentamos a Interface de Programação Multilinguagem (IPML), que permite a extensão de simuladores construídos por RPC sem modificações na rede. Para validar a IPML, foram desenvolvidos dois simuladores extensíveis, o CacheSim, ferramenta que disponibiliza uma plataforma para modelagem, configuração e uso de políticas de substituição de arquivos em cache da Internet, e o TransportSim, uma ferramenta configurável que permite a representação e análise de cenários de simulação para transportes metroviários/ferroviários. Demonstra-se, em forma de casos de uso, como estender esses simuladores sem a necessidade de modificação das RPC. Como segunda contribuição, propomos as redes de Petri coloridas distribuídas (RPCD), que permitem a concepção de modelos em sub-partes não necessariamente hierárquicas, e que podem executar em processos independentes em diferentes computadores. A distribuição de um modelo RPC é realizada com a adição do conceito de Lugar de Fusão Distribuído. As simulações são possíveis com a execução de algoritmos que permitem a comunicação e a coordenação dos múltiplos processos que contêm as sub-partes e executam simultaneamente. De maneira a prescindir do uso de prioridades como solução para conflitos distribuídos e, dessa maneira, não comprometer o poder analítico das RPC, foi criado um protocolo para acesso simultâneo a múltiplas regiões críticas, garantindo justiça na seleção dos eventos que podem ocorrer e permitindo a execução paralela de transições não conflitantes. As RPCD permitem a concepção e simulação distribuída de RPC sem adição de novos recursos semânticos às RPCs. Isso possibilita a transformação de simuladores centralizados num único processo em simuladores que podem ser distribuídos em múltiplos nós de execução, com baixo custo efetivo de desenvolvimento. A definição formal de RPCD é apresentada e a análise de um modelo distribuído é discutida. Os resultados indicam que a adição de novos processos incrementa o desempenho , em termos de velocidade, de uma simulação até um limite de saturação, em que o custo de comunicação entre os múltiplos nós passa a não compensar a segmentaçao do modelo.
Abstract: The investigation of specific aspects of a system through simulations makes it possible to identify in advance faults, blocks and instabilities , among other aspects. Thus, the costs and risks associated with the implementation of systems are reduced, making it possible to analyze the projects of these systems in different scenarios. To this end, coloured Petri nets (CPN) are often used. However, simulating systems at multiple levels of abstraction, including specific analyzes and performance evaluations, may require highly specialized technical knowledge, increasing the cost of the simulation. In addition, simulators developed for large systems that allow complex configurations may require a large amount of computational resources, compromising simulations based on CPN. Aiming to provide mechanisms to reduce the cost of extensibility and increase the robustness of simulations performed in CPN, two contributions are presented in this thesis. In the first one, we present the Multi-Language Programming Interface (IPML), which allows to extend simulators without in the CPN. In order to validate IPML, two extensible simulators were developed: CacheSim, a tool that provides a platform for modeling, configuration and use of Internet caching policies, and TransportSim, a configurable tool that allows the representation and analysis of simulation scenarios for metro / rail transportation. It is demonstrated, in the form of use cases, how to extend these simulators without modifying the CPN. As a second contribution, we propose distributed colored Petri nets (DCPNs), which allow the design of individual models that are not necessarily hierarchical, and which can be executed in independent processes on different computers. The distribution of a CPN model is performed with the addition of the Distributed Fusion Place concept. Simulations are possible with the execution of algorithms that allow the communication and coordination of the multiple processes that contain the individual models and execute simultaneously. In order to dispense with the use of priorities as a solution to distributed conflicts and thus not to compromise the analytical power of the CPN, a protocol has been created for simultaneous access to multiple critical regions, ensuring fairness in the selection of events that may occur and allowing parallel execution of non-conflicting transitions. The DCPN allows the conception and distributed simulation of CPN without adding new semantic resources to CPN. This allows the transformation of centralized simulators into a single process in simulators that can be distributed in multiple execution nodes, with effective low development cost. The formal definition of DCPN is presented and the analysis of a distributed model is discussed. The results demonstrate that the addition of new processes increases the performance of a simulation up to a saturation limit, in which the cost of communication between the multiple nodes does not compensate the segmentation of the model.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/24936
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