[논문]분산 환경에서 CFD 분석 프로그램 수행을 위한 그리드 시스템 META 설계 및 구현

강경우; 우균

doi:10.3745/kipsta.2006.13a.6.533

분산 환경에서 CFD 분석 프로그램 수행을 위한 그리드 시스템 META 설계 및 구현
Design and Implementation of a Grid System META for Executing CFD Analysis Programs on Distributed Environment 원문보기

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part A. Part A, v.13A no.6 = no.103, 2006년, pp.533 - 540

강경우 (천안대학교 정보통신학부) , 우균 (부산대학교 정보컴퓨터공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 분산 환경 상에서 CFD(Computational Fluid Dynamics) 분석 프로그램을 편리하게 수행할 수 있도록 하는 그리드 시스템 META(Metacomputing Environment using Test-un of Application)의 설계 및 구현에 관하여 기술한다. 그리드 시스템 META는 CFD 프로그램 개발자들이 네트워크에 분산된 계산 자원들을 단일 시스템처럼 사용할 수 있도록 한다. 그리드 컴퓨팅과 관련하여 연구주제로는 고장허용, 자원 선택, 사용자 인터페이스 설계 등이 있다. 본 논문에서는 MPI(Message Passing Interface)로 작성된 SPMD(Single Program, Multiple Data) 구조의 병렬프로그램을 실행시키기 위한 자동 자원 선택방법을 활용하였다. 본 논문에서 제안한 자원 관리기법은 네트워크상의 전송지연 시간과 시험수행을 통해 얻어진 핵심루프의 경과시간을 이용한다. 전송지연시간은 병렬 프로그램이 복수의 시스템에 분산되어 수행될 때 수행 성능에 큰 영향을 주는 요인이다. CFD 프로그램들의 공통적인 특성 때문에 핵심루프 경과시간은 전체 수행시간을 예측할 수 있는 지표가 된다. 핵심루프는 CFD 프로그램의 전체 수행시간 중 90% 이상을 차지한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design and implementation of a grid system META (Metacomputing Environment using Test-run of Application) which facilitates the execution of a CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis program on distributed environment. The grid system META allows the CFD program developers can access the computing resources distributed over the network just like one computer system. The research issues involved in the grid computing include fault-tolerance, computing resource selection, and user-interface design. In this paper, we exploits an automatic resource selection scheme for executing the parallel SPMD (Single Program Multiple Data) application written in MPI (Message Passing Interface). The proposed resource selection scheme is informed from the network latency time and the elapsed time of the kernel loop attained from test-run. The network latency time highly influences the executional performance when a parallel program is distributed and executed over several systems. The elapsed time of the kernel loop can be used as an estimator of the whole execution time of the CFD Program due to a common characteristic of CFD programs. The kernel loop consumes over 90% of the whole execution time of a CFD program.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

만약 다른 타입의 병렬 응용 프로그램에 대해서도 META의 기능을 활용할 수 있다면 활용성이 더욱 증대될 것이다. 둘째, META의 작업집합 후보를 선정하는 방법을 개선하는 것이다. 현재는 개념적인 네트워크 연결을 가정하여 네트워크 전송 지연시간을 산출하고 있다.
META의 목표는 CFD 사용자가 쉽게 슈퍼컴퓨터를 사용할 수 있도록 하는 것이다. 따라서 본 논문에서는 CFD 프로그램 구조의 특징을 파악하고 가장 적합한 작업 집합을 자동으로 선정하는 것으로 연구 방향을 설정하였다. META에서는 네트워크 속도와 테스트 실행의 속도를 기반으로 하여 최적의 작업 집합을 선정한다.
META는 CFD 프로그래머가 그리드 컴퓨팅 시스템 내의 계산 자원들을 마치 하나의 시스템처럼 이용할 수 있도록 한다. 따라서 이 절에서는 그리드 컴퓨팅 시스템 내의 자원을 활용하기 위한 플랫폼을 제시하기 위한 과거 연구를 살펴본다. 또한 META가 목표로 하는 주요 응용 프로그램인 CFD 프로그램의 특징에 대해서도 살펴본다.
따라서 이 절에서는 그리드 컴퓨팅 시스템 내의 자원을 활용하기 위한 플랫폼을 제시하기 위한 과거 연구를 살펴본다. 또한 META가 목표로 하는 주요 응용 프로그램인 CFD 프로그램의 특징에 대해서도 살펴본다.
본 논문에서 우리는 CFD 프로그램을 모델링하기 위한 일반적인 기법으로서 작업 집합 체계와 핵심루프 모델을 제시하였다. 작업 집합 체계는 그리드 시스템에서 몇 개의 완전 서브그래프를 선정하기 위한 것인데, 각 완전 서브 그래프는 작업 집합 후보라고 명명하였다.
2절에서 설명한 것처럼 CFD 프로그램들 내에는 전체수행 시간의 대부분을 소비하는 루프가 존재한다. 본 논문에서는 CFD 프로그램 내에서 수행시간의 대부분을 소비하는 부분을 조사하고 이 부분만 추출하여 3.1 절에서 뽑은 작업 집합 후보에서 시험수행을 거침으로 전체 수행시간을 예측하는 방법을 제시한다.
작업의 특성에 따라 미모리가 큰 시스템이 적합할 수도 있고 입출력 성능이 좋은 시스템이 적합할 수도 있기 때문이다. 본 논문에서는 네트워크 속도 측정과 컴퓨팅 자원의 성능 측정을 통해 병렬작업을 할당할 컴퓨팅 자원 선택방법을 제안한다. 선택된 사용 가능한 컴퓨팅 자원들의 집합은 다른 어떤 집합 사용 가능 집합보다 작업을 효율적으로 처리할 수 있다.
CFD 프로그램에서 핵심루프란 전체수행시간의 대부분을 차지하며 수없이 반복되는 메인루프를 말한다. 본 논문에서는 핵심루프를 자동으로 추출하여 대상이 되는 컴퓨팅 자원에서 시험수행을 거친 결과에 따라 자원을 할당하는 방법을 제시한다. 시험수행에 필요한 시간은 불과 수초에 해당하기 때문에 시험수행으로 인한 오버헤드는 크지 않다.

가설 설정

첫째, CFD 외의 응용분야에 사용할 수 있도록 META를 확장하는 것이다. META는 현재 CFD 프로그램을 효율적으로 수행하는 것을 목표로 하고 있다.

제안 방법

META에서의 컴퓨터 선택 알고리즘을 기술하기 위해 먼저 네트워크 비용 그래프(network latency-time graph)를 생각해보자. 네트워크 비용 그래프는 다음과 같이 정의된다.
META의 효과를 살펴보기 위해, Navier-Stokes 방정식을 해결하기 위한 몇몇 CFD 모델에 대해 실험을 수행하였다. 이들 모델은 메시지 전달 및 영역 분할에 기초한 병렬모델이다(MPI, PVM).
MOL은 아주 넓은 지역에 흩어져 있는 많은 컴퓨팅 자원들을 연결하여 문제를 해결하는 것이 목적이기 때문에 대기시간을 줄임으로써 처리율을 올릴 수 있도록 하고 있다. 반면에 본 논문에서 제안한 META는 지역적으로 근거리에 위치한 소규모 컴퓨팅 자원을 기반으로 하고 있으므로 전송지연시간을 줄임으로써 전체 처리율을 올릴 수 있도록 한다. 또한 META는 CFD 프로그램 개발자를 대상으로 하고 있기 때문에 실시간 가시화 기능을 제공하고 있으며, CFD 분야의 특성상 컴퓨팅 자원 간 이동은 불필요하다.
시험수행에 필요한 시간은 불과 수초에 해당하기 때문에 시험수행으로 인한 오버헤드는 크지 않다. 본 논문에서 개발한 그리드 시스템 META(Metacomputing Environment using Test-run of Application)네트워크 상태를 기반으로 최대 크리크 후보들을 선택하고 선택된 자원들 상에서 시험수행을 하여 가장 빠른 자원들을 선택하게 된다.
반복에 드는 시간은 다른 조건에 상관없이 거의 일정하다는 점을 기억하자. 이러한 기본 가정이 옳다는 것을 알아보기 위해 1회 반복에 걸리는 시간을 (그림 5)에 도시하였다. HPC₃₂04 GS320에서 테스트 실행을 수행한 결과 위와 같은 가정이 사실이라는 것을 알 수 있었다.
최적의 컴퓨팅 자원 집합을 얻기 위해 본 논문에서 제안한 방안은 네트워크 연결 상태를 가중치 그래프(weighted graph)로 표현하는 것이다. 여기서 가중치란 네트워크 지연시간을 의미하는데, 주어진 그래프 상에서 최소 가중치를 갖는 최대 클리크(maximal clique)를 구하면 최적의 컴퓨팅자원 집합 후보가 될 추 있다.
5절에서는 다른 그리드 컴퓨팅 시스템에 대한 META의 특징을 살펴본디-. 특히 META와 유사한 기능을 수행하는 MOL과 다 각도에서 비교한다. 끝으로 6절에서 결론을 기술한다.

데이터처리

선택된 작업집합에서 테스트 실행을 수행한 후, 테스트 실행 성능을 바탕으로 빠른 슈퍼컴퓨터들을 선택한다. 최종적으로 수행기는, 선정된 슈퍼컴퓨터 자원을 이용하여 CFD 계산 프로그램 F를 수행한다.

이론/모형

PVW은, 프로세스 생성, 프로세스 간 통신, 이기종 네트워크 사이의 프로세스 동기화 등의 기능을 제공한다. CFD 프로그램과 데이터 파일을 각 기계로 전송하기 위해, 또 소스 프로그램을 컴파일하기 위해 PVM-make를 사용하였다.
이들 모델은 메시지 전달 및 영역 분할에 기초한 병렬모델이다(MPI, PVM). 모든 모델은 구조적 그리드 상에서 유한 차분법 (finite difference method)을 이용하여 구성한다. 따라서 수치해석 모델들의 기본 틀은 유사하다.
컴퓨팅 자원의 성능 측정을 위해 본 논문에서는 CFD 프로그램의 핵심루프(kernel loop)를 이용한다. CFD 프로그램은 같은 패턴의 계산을 반복하여 수행한다는 특징이 있다.

성능/효과

(1) 핵심루프는 프로그램 전체 수행 중 수백 번 또는 수천 번 반복된다.
(2) 핵심루프를 한 번 수행하는 데에는 수십 초의 시간이 걸린다.
(3) 핵심루프내의 수행시간은 몇 번째 반복인지에 관계없이 거의 일정하다. 이 특징은 반복 첨자의 값에 상관없이 데이터만 바꾼 채 같은 계산 과정을 거치기 때문이다.
2.2절에서 설명한 것처럼 CFD 프로그램들 내에는 전체수행 시간의 대부분을 소비하는 루프가 존재한다. 본 논문에서는 CFD 프로그램 내에서 수행시간의 대부분을 소비하는 부분을 조사하고 이 부분만 추출하여 3.
이러한 기본 가정이 옳다는 것을 알아보기 위해 1회 반복에 걸리는 시간을 (그림 5)에 도시하였다. HPC₃₂04 GS320에서 테스트 실행을 수행한 결과 위와 같은 가정이 사실이라는 것을 알 수 있었다.
여기서 가중치란 네트워크 지연시간을 의미하는데, 주어진 그래프 상에서 최소 가중치를 갖는 최대 클리크(maximal clique)를 구하면 최적의 컴퓨팅자원 집합 후보가 될 추 있다. 선택된 후보 집합들 중이 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램을 효과적으로 수행할 수 있는 것을 선택한다.

후속연구

META는 현재 CFD 프로그램을 효율적으로 수행하는 것을 목표로 하고 있다. 만약 다른 타입의 병렬 응용 프로그램에 대해서도 META의 기능을 활용할 수 있다면 활용성이 더욱 증대될 것이다. 둘째, META의 작업집합 후보를 선정하는 방법을 개선하는 것이다.
그러나 실제로 네트워크 연결은 완전 그래프가 아니므로 작업집합 후보를 선정할 때 잘못된 정보에 근거하여 선정할 수도 있다. 이를 개선하는 것도 향후 연구로 생각해 볼 수 있겠다.

참고문헌 (12)

K.-W. Kang and G. Woo, 'A Resource Selection Scheme for Grid Computing System META,' Lecture Notes in Computer Science, Vol.3251, pp.919-922, 2004
V. S. Sunderam, 'PVM: A Framework for Parallel Distributed Computing,' Concurrency: Practice and Experience, Vol.2, pp.315-340, 1990

상세보기
I. Foster and C. Kesselman, 'Globus: A Metacomputing Infrastructure Toolkit', International Journal of Super computer Applications, Vol.11, pp.115-128, 1997

상세보기
I. Foster and C. Kesselman, The Grid: Blueprint for a new Computing Infrastructure, Morgan Kaufmann Puplishers, Inc. 1998
K. Cxajkowski, S. Fitzgerald, I. Foster, and C. Kesselman, ' Gred Information Services for Distributed Resource Sharing,' In Proceedings of the Tenth IEEE International Symposium on High-Performance Distributed Computing (HPCD-10). IEEE Press, pp.181-184, 2001
K. A. Hoffmann, Computational Fluid Dynamics for Engineers, Morgan Kaufmann Publishers, Inc. 1993
X. Yang and M. Hayes, 'Application of Grid Techniques in the CFD Field,' Integrating CFD and Experiments in Aerodynamics, Glasgow, UK, 2003
A. Reinefeld, V. Lindenstruth, 'How to Build a High-Performance Compute Cluster for the Gred,' 2001 International Conference on Parallel Processing Workshops (ICPPW'01), pp.221-233, September, 2001
A. Reinefeld, R. Baraglia, T. Decker, J. Gehring, D. Laforenza, F. Rammer, T. Romke, J. Simon, 'The MOL, Project: An Open, Extensible Metacomputer,' 6th Heterogeneous Computing Workshop (HCW'97) , pp.17-34, April, 1997
Legion: Worldwide Virtual Computer, http://www.cs.virginia.edu/-legion/
김도현, 강 경우, 강윤희, 조광문, '그리드 환경에서 NWS를 이용한 네트워크 정보 제공자 구현' 정보처리학회 학술발표논문집, 제9권 제2호, pp.1495-1499, 한국정보처리학회, 2002. 11
김도현, 강 경우, 강윤희, 조광문, 'P2P를 기반으로 한 확장된 그리드 정보서비스 시스템 설계', 정보처리학회 학술발표논문집, 제9권 제2호, pp.205-208, 한국정보처리학회, 2002.11

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증