Στην παρούσα διπλωματική εργασία, ασχολούμαστε με μια καινοτόμα τεχνολογία, αυτή των υπολογιστικών πλεγμάτων (grids). Συγκεκριμένα μελετάμε την συμπεριφορά τέτοιων συστημάτων όσον αφορά τον τρόπο που εκτελούνται οι διάφορες εργασίες σε αυτά. Αρχικά λοιπόν αφότου κάνουμε μια γενική αναδρομή στο τι είναι τα grids, πώς υλοποιούνται και ποιές ανάγκες καλύπτουν, αναφερόμαστε σε ένα συγκεκριμένο υπολογιστικό πλέγμα, το οποίο είναι εγκατεστημένο στο Πανεπιστήμιο Πατρών σε χώρο του τμήματος Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής και το οποίο έχει εναρμονιστεί με επιτυχία από τις αρχές του 2006 σε μια πανευρωπαϊκή δομή grids στα πλαίσια του έργου EGEE (Enabling Grids for E-science in Europe). Στο υπόλοιπο κομμάτι της μελέτης μας, ασχολούμαστε με την κατηγοριοποίηση και την μοντελοποίηση επικοινωνιακών και υπολογιστικών εργασιών στον κόμβο της Πάτρας. Αναλυτικότερα, αφού περιγράψουμε τα δομικά στοιχεία που αποτελούν τον τοπικό κόμβο και αναπτύξουμε τη μεθοδολογία για συγκέντρωση και στατιστική επεξεργασία των δεδομένων του (υπό μορφή log files), επικεντρωνόμαστε στην περιγραφή της διαδικασίας που ακολουθείται από τη διεθνή βιβλιογραφία για την κατηγοριοποίηση των παραπάνω εργασιών. Στη συνέχεια εφαρμόζουμε τα παραπάνω για την περίπτωσή μας και τέλος συγκρίνουμε τα αποτελέσματά μας με μεθόδους που προτείνονται από άλλους μελετητές για την κατηγοριοποίηση τέτοιων εργασιών. Η σύγκριση μας οδηγεί στο ασφαλές συμπέρασμα, πως το μοντέλο το οποίο προτείνουμε για την κατηγοριοποίηση των εργασιών είναι πιο αποδοτικό και πιο απλό από όσα έχουν προταθεί ως σήμερα. Η παραπάνω μελέτη βοηθά στην πληρέστερη κατανόηση της συμπεριφοράς ενός συστήματος πλέγματος, κάτι το οποίο είναι ιδιαίτερα σημαντικό κατά τον σχεδιασμό αλγορίθμων χρονοδρομολόγησης σε τέτοιου είδους συστήματα. Τελικός στόχος παραμένει η δίκαιη μεταχείριση των χρηστών και η μέγιστη αποδοτικότητα της όλης υποδομής. / -

- / -

Γείωση ονομάζουμε την αγώγιμη σύνδεση των μεταλλικών εξαρτημάτων μιας εγκατάστασης ως προς τη γη, ώστε το δυναμικό αυτής να εξισωθεί με το δυναμικό της γης. Σκοπός ενός συστήματος γείωσης είναι να παρέχει ένα δρόμο χαμηλής αντίστασης σε ρεύματα από κεραυνούς ή σφαλμάτων προς τη γη και να μειώνει τις πιθανότητες ανάπτυξης επικίνδυνων βηματικών τάσεων ή τάσεων επαφής, καθορίζοντας ένα δυναμικό αναφοράς. Τα συστήματα γείωσης είναι πολύ σημαντικά και για αυτό το λόγο έχει μελετηθεί η συμπεριφορά τους από πολλούς ερευνητές και έχουν προταθεί διάφορα μοντέλα εξομοίωσης τους. Το σημαντικότερο κομμάτι από την μελέτη ενός συστήματος γείωσης είναι η μεταβατική κατάσταση, γιατί εκεί εμφανίζονται τα πιο επικίνδυνα φαινόμενα και οι τάσεις που εμφανίζονται παρουσιάζουν μεγαλύτερες τιμές καθώς και πιο απότομες κυματομορφές. Ένα φαινόμενο που εμφανίζεται όταν ένας κεραυνός πλήξει ένα πλέγμα γείωσης είναι ο ιονισμός του εδάφους. Το φαινόμενο αυτό παρουσιάζεται όταν το ηλεκτρικό πεδίο στις πλευρικές επιφάνειες των ηλεκτροδίων του πλέγματος ξεπεράσει το πεδίο ιονισμού του εδάφους. Αυτό δημιουργεί μη γραμμική συμπεριφορά στα συστήματα γείωσης, η οποία δεν είναι πλήρως κατανοητή ίσως εξαιτίας της εξαιρετικά σύνθετης διεργασίας, παρόλα αυτά μερικές προσεγγίσεις συνήθως υιοθετούνται όταν το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους συμπεριλαμβάνεται. Το φαινόμενο αυτό επηρεάζει την απόκριση των συστημάτων γείωσης. Έτσι, όταν υψηλά ρεύματα οδηγούνται στη γη, η προσομοίωση του ιονισμού του εδάφους πρέπει να είναι ένα θεμελιώδες τμήμα σε κάθε μοντέλο που έχει το χαρακτηρισμό του συστήματος γείωσης σε μεταβατικές συνθήκες. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου για την εξομοίωση ενός πλέγματος γείωσης, συμπεριλαμβάνοντας το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, και η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τις εξομοίωσης ενός πλέγματος για είσοδο του ρεύματος κεραυνού σε διάφορους κόμβους του πλέγματος και συγκρίνονται μεταξύ τους. Στη συνέχεια γίνεται εξομοίωση δύο επιπλέον πλεγμάτων, μελετάται η συμπεριφορά τους για είσοδο του ρεύματος κεραυνού σε διάφορους κόμβους των πλεγμάτων και γίνεται σύγκριση μεταξύ τους. Η εργασία ολοκληρώθηκε με παρατηρήσεις επάνω στα αποτελέσματα των εξομοιώσεων και σύγκριση μεταξύ αυτών, σε ότι αφορά το σημείο εισόδου του ρεύματος κεραυνού καθώς και την επιλογή της μορφής του πλέγματος γείωσης. / Grounding, we call the conductive connection of metal elements of an installation as for the ground, in order that the potential of this is evened with the potential of the ground. Aim of a grounding system is to provide a street of low resistance in currents from lightning or faults to the ground and to decrease the probabilities of growth of dangerous incremental voltages or voltages of contact, determining a potential of report. The grounding systems are very important and for this reason have been studied their behavior from a lot of researchers and have been proposed various models of simulation. The more important piece than the study of a grounding system is the transient response, because there are presented the most dangerous phenomena and the voltages which appear present largest values as well as more abrupt curves. A phenomenon that is presented when a lightning affects a grounding grid is the soil ionization. This phenomenon could be happen when the electric field, in correspondence with the lateral surface of ground electrodes, overcomes the soil ionization gradient. This creates a no linear behavior in the grounding systems, which is not completely comprehensible perhaps because of the exceptionally complex process, nevertheless certain approaches usually is adopted when the phenomenon of ionization of ground is included. This phenomenon influences the impulse response of grounding systems. Thus, when high impulse currents are drained to earth, the simulation of soil breakdown must be a fundamental part of each model which has the characterization of grounding systems in transient conditions as the main goal. Aim of this work is the selection of a suitable model for the simulation of a grounding grid including the phenomenon of the soil ionization, and the study of its transient behavior. There are presented the results of the simulation of a grid for entry of current of lightning in various nodes of the grid and are compared from each other. Afterwards the simulation of two more grids is presented. We study their behavior for entry of current of lightning in various nodes of the grid and compare each other. The work was completed with observations on the results of the simulations and comparison between these, regarding the point of entry of current of lightning as well as the selection of the form of the grid.

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η εξομοίωση ενός πλέγματος γείωσης υποσταθμού μέσης τάσης και η μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς του. / Grounding, is the connection of metal elements of an installation with the ground, in order that the potential of this, is evened with the potential of the ground. Aim of a grounding system is to provide a street of low resistance in currents from lightning or faults to the ground and to decrease the probabilities of growth of dangerous incremental voltages or voltages of contact, determining a potential of report. The grounding systems are very important and for this reason have been studied their behavior from a lot of researchers and have been proposed various models of simulation. The more important piece than the study of a grounding system is the transient response, because there are presented the most dangerous phenomena and the voltages which appear present largest values as well as more abrupt curves. Aim of this work is to study and simulate the earthing grid of a substation. Θere are presented the results of the simulation of an earthing grid in order for the thunder electricity to be inserted to the node where the “tower" of 150 kV is being earthed and in order for the shift circuit to be inserted to the node where the thansformer of the substation is being earthed.

Στη σύχρονη εποχή η ανάπτυξη των ετερογενών και κατανεμημένων περιβαλλόντων, όπως τα περιβάλλοντα πλέγματος, καθιστά εφικτή την επίλυση υπολογιστικά εντατικών προβλημάτων με αξιόπιστο και οικονομικό τρόπο. Το Πλέγμα υπολογιστών είναι μια αναπτυσσόμενη δομή που παρέχει πρόσβαση σε υπολογιστική ισχύ και αποθηκευτικό χώρο κατανεμημένα σε όλο τον κόσμο και εισήχθη για να ικανοποιήσει την ανάγκη για εφαρμογές που απαιτούν μεγάλο αριθμό υπολογισμών καθώς και την επικοινωνία των ατόμων που τις εκτελούν. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσίαζεται με λεπτομέρεια η δομή και ο τρόπος λειτουργίας και εξυπηρέτησης χρηστών του Πλέγματος. Επικεντρώνουμε το ενδιαφέρον μας στη μελέτη εκτέλεσης αλγορίθμων στο Πλέγμα προσφέροντας στον αναγνώστη τη δυνατότητα εξοικείωσης με τις ιδιαιτερότητες συγγραφής αλγορίθμων και εφαρμογών που επιθυμούν να εκμεταλλευτούν τις δυνατότητες του Πλέγματος. Επίσης, καταγράφουμε τη μεθοδολογία και τον τρόπο υποβολής εργασιών στο Πλέγμα από τη σκοπιά του χρήστη. Από τους αλγορίθμους που καταγράφονται, ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις παράλληλες εφαρμογές που εκμεταλλεύονται το μεγάλο πλεονέκτημα που μας προσφέρει το Πλέγμα εφοδιάζοντας μας με πολλαπλές επεξεργαστικές μονάδες. Συγκεκριμένα για να εξετάσουμε τόσο την αρχιτεκτονική όσο και τις δυνατότητες του Πλέγματος, αναπτύξαμε και συγγράψαμε ένα παράλληλο Γενετικό Αλγόριθμο για το πολυδίαστατο και απαιτητικό πρόβλημα του Χρονοπρογραμματισμού Εξετάσεων σε Πανεπιστήμια. / In our contemporary society, the development of distributed and heterogeneous computing environments, provide us with the capability of solving difficult scientific problems in a reliable and economic manner. The Grid environment is a form of distributed computing whereby a “super and virtual computer” is composed of a cluster of networked loosely coupled computers acting in concert to perform very large tasks. This technology has been applied to computationally intensive scientific, mathematical, and academic problems through volunteer computing, and it is used in commercial enterprises for such diverse applications as drug discovery, economic forecasting, seismic analysis, and back-office data processing in support of e-commerce and Web services. In the current paper, there is a significant reference to the architecture and the different elements of which Grid is composed .We focus our interest in the way we should write and develop our algorithms in order to retrieve the benefits of Grid computing. As far as the user aspect is concerned, we describe the methodology of job submission and job monitoring in Grid. From the algorithms we developed and tested, there is a significant emphasis concerning the parallel applications which take advantage of the fact that Grid offers us multiple computing resources and processors. In detail, we developed a parallel genetic algorithm for the examination timetabling problem in Universities which consists a difficult np problem which provides a significant example of the importance and the role of Grid in Computational Science.

Η παροχή, στους χρήστες Πλέγματος, ενός ευρείας πρόσβασης, ομοιογενούς και εύκολου στη χρήση γραφικού περιβάλλοντος είναι ο κύριος στόχος της ανάπτυξης μιας πύλης πλέγματος. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση αυτών των πυλών με έναν σωστό και φιλικό, προς το χρήστη, τρόπο, θα μπορούσε να πυροδοτήσει τη διάδοση των τεχνολογιών πλέγματος, προωθώντας την στροφή των τεχνολογιών πλέγματος από την έρευνα στην βιομηχανική εφαρμογή. Η εργασία αυτή υπογραμμίζει τα βασικά θέματα στην ανάπτυξη πυλών πλέγματος και επιχειρεί την κατασκευή μιας τέτοιας πύλης,βασισμένης στην υποδομή EGEE, με τη χρήση ευρέως διαδεδομένων τεχνολογιών διαδικτύου. Παράλληλα, πραγματοποιείται μια επισκόπηση της τεχνολογίας πλέγματος με σκοπό να κατανοήσουμε την λειτουργία και την αρχιτεκτονική του, πράγμα που θα μας επιτρέψει να αποκτήσουμε μια γενικότερη εικόνα των απαιτήσεων και της μεθόδου που θα ακολουθήσουμε κατά την δημιουργία της πύλης. / Allowing Grid users, a widely accessible, homogeneous and easy to use graphical environment is the main objective of developing a grid portal. The design and implementation of these gates with a good and friendly, user manner, could trigger the dissemination of grid technologies, promoting their shift of from research to industrial application. This paper highlights the key issues in the development of Grid portals and attempts to build such a portal, based on the EGEE infastructure, utilizing the widespread use of Internet technologies. At the same time, an overview of grid technology is presented in order to understand the function and architecture, which will allow us to get an overall picture of the requirements and the method to be followed when creating the portal.

Η λύση και η βελτιστοποίηση πραγματικών προβλημάτων, δηλαδή προβλημάτων τα οποία συναντάμε στην καθημερινή μας ζωή είναι συχνά περίπλοκη και παρουσιάζει πολλές δυσκολίες, η μοντελοποίησή τους εξελίσσεται συνεχώς σε θέματα περιορισμών και στόχων και η ανάλυσή τους απαιτεί πολύ χρόνο και επεξεργαστική ισχύ. Υπάρχουν διάφοροι αλγόριθμοι και μέθοδοι που επιδιώκουν την επίλυση τέτοιων προβλημάτων. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν και οι μεταευρετικές μέθοδοι (metaheuristics) οι οποίες επιτρέπουν την αντιμετώπιση προβλημάτων μεγάλου μεγέθους παραδίδοντας ικανοποιητικές λύσεις σε λογικό χρόνο. Ωστόσο, παρά τη μείωση της πολυπλοκότητας που επιτρέπουν οι μεταευρετικές μέθοδοι, συχνά δεν είναι επαρκείς για την αντιμετώπιση μεγάλων προβλημάτων. Ο υπολογισμός πλέγματος (Grid computing), ο οποίος έχει έρθει πρόσφατα στο προσκήνιο, παρέχει σημαντική βοήθεια στην επίλυση δύσκολων, με σκληρές απαιτήσεις χρόνου προβλημάτων. Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιούμε μεταευρετικές μεθόδους σε υπολογιστικά πλέγματα για την επίλυση ενός σύνθετου προβλήματος χρονοπρογραμματισμού εξετάσεων Πανεπιστημίου, το οποίο δημοσιεύτηκε από τον Διεθνή Διαγωνισμό Χρονοπρογραμματισμού το 2007. / -

Γείωση είναι η ένωση ενός σημείου ενός κυκλώματος ή ενός ξένου προς το κύκλωμα μεταλλικού αντικειμένου με μια εγκατάσταση γείωσης. Εγκατάσταση γείωσης είναι ένα ή περισσότερα συνδεδεμένα ηλεκτρόδια γείωσης, τα οποία εξασφαλίζουν την απευθείας σύνδεση με την γη. Σκοπός της γείωσης είναι να κάνει δυνατή την εκφόρτιση ρευμάτων προερχόμενων από σφάλμα ή από πλήγμα κεραυνού διαμέσου των ηλεκτροδίων γείωσης, τα οποία βρίσκονται θαμμένα στην γη, προστατεύοντας έτσι τον εξοπλισμό αλλά και τα άτομα που βρίσκονται εκείνη την στιγμή στην περιοχή. Τα συστήματα γείωσης είναι πολύ σημαντικά και για αυτό το λόγο έχει μελετηθεί η συμπεριφορά τους από πολλούς ερευνητές και έχουν προταθεί διάφορα μοντέλα εξομοίωσης τους. Το σημαντικότερο κομμάτι από την μελέτη ενός συστήματος γείωσης είναι η μεταβατική κατάσταση, γιατί εκεί εμφανίζονται τα πιο επικίνδυνα φαινόμενα και οι τάσεις που εμφανίζονται παρουσιάζουν μεγαλύτερες τιμές καθώς και πιο απότομες κυματομορφές. Η ειδική αντίσταση του εδάφους είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την απόκριση του συστήματος γείωσης. Κατά την μεταβατική συμπεριφορά, το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, που εμφανίζεται, δημιουργεί μη γραμμική συμπεριφορά στα συστήματα γείωσης και επηρεάζει με την σειρά του την απόκριση τους. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η προσομοίωση της μεταβατικής συμπεριφοράς του πλέγματος γείωσης υποσταθμού ανύψωσης τάσης 20/150 kV στην Αρκαδία. Σκοπός της είναι η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου για την προσομοίωση, συμπεριλαμβάνοντας το φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, και με την χρήση του προγράμματος εξομοίωσης ATP-EMTP, λαμβάνονται τα αποτελέσματα υπό μορφή γραφημάτων και μελετάται η μεταβατική συμπεριφορά του πλέγματος γείωσης στην περίπτωση πλήγματος κεραυνού. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των θεμάτων που καλύπτονται σε κάθε κεφάλαιο. Στο Κεφάλαιο 1 της παρούσας εργασίας γίνεται εισαγωγή στην έννοια της γείωσης, αναφέρονται τα είδη και οι μέθοδοι γείωσης, καθώς επίσης και οι τύποι των ηλεκτροδίων και οι βασικές διατάξεις γείωσης όπως προκύπτουν από τους διεθνείς κανονισμούς και τα ελληνικά πρότυπα. Το Κεφάλαιο 2 αναφέρεται στην αντίσταση γείωσης και αναλύεται ο κυριότερος παράγοντας που την επηρεάζει, η ειδική αντίσταση του εδάφους. Στην συνέχεια αναφέρονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση του εδάφους και τέλος, μερικοί τρόποι μέτρησης της. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μία εκτενής αναφορά στο φαινόμενο του ιονισμού του εδάφους, στις μεθόδους με τις οποίες μοντελοποιείται το φαινόμενο και τέλος γίνεται καθορισμός του πεδίου ιονισμού του εδάφους. Το φαινόμενο του ιονισμού λήφθηκε υπόψη στην προσομοίωση του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού που μελετήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 4, μετά από μία σύντομη επεξήγηση της κρουστικής σύνθετης αντίστασης, ακολουθεί μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των προγενέστερων αλλά και των μεταγενέστερων μοντέλων προσομοίωσης της μεταβατικής συμπεριφοράς των συστημάτων γείωσης. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του προγράμματος εξομοίωσης ATP-EMTP που χρησιμοποιήθηκε στην εργασία, δίνοντας περισσότερη σημασία στα δύο υποπρογράμματα ATPDraw και PlotXY μέσω των οποίων βγήκαν τα αποτελέσματα. Στο Κεφάλαιο 6 αναφέρονται τα στοιχεία του πλέγματος γείωσης του υποσταθμού υψηλής τάσης και του περιβάλλοντός του, επιλέγεται το μοντέλο που θα χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή της μεταβατικής συμπεριφοράς του, καθώς επίσης παρουσιάζονται και οι παράμετροι των διαφόρων προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Δίνονται αναλυτικά όλα τα γραφήματα των δυναμικών που μετρήθηκαν καθώς και συγκεντρωτικά γραφήματα και τέλος παρατίθενται και τα συμπεράσματα της προσομοίωσης. / Grounding is the union of one point of a circuit or of a foreign metal object with a grounding installation. A grounding installation is one or more connected grounding electrodes, which ensure a direct connection to the earth. The purpose of grounding is to make the discharge of the currents that arise from fault or lightning strike possible, through the grounding electrodes, which are buried in the earth, thus protecting the equipment as well as the people who are in the region at that moment. Grounding systems are very important and for this reason, their behavior has been studied by many researchers and various models for their simulation have been proposed. The most important part of the study of a grounding system is the transient response, because it is then when the most dangerous phenomena appear and the voltages are showing higher rates as well as steeper waveforms. The resistivity of the soil is a factor that affects the response of the grounding system. During the transient behavior the phenomenon known as soil ionization appears and creates non-linear behavior and affects the response of the grounding system. The subject of this study is to simulate the transient behavior of the grounding grid of an electric substation 20/150 kV in Arcadia. Its purpose is the selection of the appropriate model for the simulation of the grounding grid, taking into account the phenomenon of soil ionization, and by using the simulation program ATP-EMTP to obtain the results in graphical form and study the transient behavior of the grounding grid in case of a lightning strike Afterwards there is a brief description of the topics covered in each chapter. In Chapter 1 of this paper there is an introduction to the meaning of grounding, listed types and grounding methods, as well as types of electrodes and the basic grounding rules as they are derived from the international regulations and the Greek standards. Chapter 2 refers to the ground resistance and analyzes the main factor that influences the ground resistance, the soil resistivity. Then the factors affecting the resistivity of the soil are listed and finally, some ways of measuring are proposed. Chapter 3 elaborates on the phenomenon of soil ionization, the methods with which the phenomenon is modeled and finally the soil ionization gradient determination. The phenomenon of soil ionization has been taken into account during the simulation of the substation’s grounding grid that was studied in this paper. In Chapter 4, after a brief explanation of the impulse impedance follows a literature review of previous and modern mathematical modeling of the transient behavior of grounding systems. Chapter 5 includes a brief presentation of the simulation program ATP-EMTP that was used for this study, emphasizing on the two subprograms ATPDraw and PlotXY, through which the results were drawn. In Chapter 6 the data of the grounding grid of the high voltage substation 20/150 kV and its environment are presented, the simulation model is selected and its different simulations follow. Chapter 7 presents the simulation results. All the graphs of measured potential are given in detail and finally the results are discussed and observations and conclusions are quoted.

Η ανάγκη για την επίλυση μεγάλων προβλημάτων και η εξέλιξη της τεχνολογίας του διαδικτύου, είχε ως αποτέλεσμα την διαρκή ανάγκη για την εύρεση όλο και περισσότερων πόρων. Η ανάγκη αυτή οδήγησε στην δημιουργία δομών συνεργαζόμενων υπολογιστικών συστημάτων, με απώτερο σκοπό την επίλυση προβλημάτων που απαιτούν μεγάλη υπολογιστική ισχύ ή την αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων. Η ύπαρξη τέτοιων δομών αλλά και κεντρικών μονάδων επεξεργασίας με περισσότερους από έναν επεξεργαστές, δημιούργησε πρωτόκολλα για την δημιουργία εφαρμογών που θα εκτελούνται και θα επιλύουν ένα πρόβλημα σε περισσότερους από έναν επεξεργαστές, ώστε να επιτευχθεί η μείωση του χρόνου εκτέλεσης. Ένα παράδειγμα τέτοιου πρωτοκόλλου είναι αυτό της ανταλλαγής μηνυμάτων (MPI). Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η τροποποίηση μιας υπάρχουσας εφαρμογή, που απαιτεί σημαντική υπολογιστική ισχύ, με σκοπό την εκμετάλλευση συστημάτων όπως αυτά που περιγράφηκαν προηγούμενα. Μέσα από αυτή την διαδικασία θα γίνει ανάλυση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων του παράλληλου προγραμματισμού. / The need to solve large problems and the development of internet technology, has resulted in the need to find more and more resources. This need led to the creation of structures collaborating systems, with a view to solving problems that require large computing power or storage of large amounts of data. The existence of such structures and central processing units with more than one processor, created protocols for the develop applications that will run and will solve a problem in more than one processor in order to achieve the reduction in execution time. An example of such a protocol is that of messaging (MPI). The purpose of this diploma thesis is to modify an existing application that requires significant computing power to exploit systems such as those described above. Through this process will analyze the advantages and disadvantages of parallel programming.

Η ανάπτυξη και εγκατάσταση συστάδων υπολογιστών (clusters) και διαδικτυακών πλεγμάτων υπολογισμού (computational grids), διαρκώς αυξανόμενη στις μέρες μας, διαμορφώνει ένα σαφώς κατανεμημένο περιβάλλον, ικανό για την εφαρμογή υπολογισμού στο εύρος του διαδικτύου. Στο πλαίσιο αυτό, η παράλληλη επεξεργασία καλείται να επωφεληθεί από την εγγύτητα των υπολογιστικών πόρων, όπως αυτή διαμορφώνεται από τα σύγχρονα δίκτυα υψηλών ταχυτήτων. Την ίδια στιγμή, οι προγραμματιστές παράλληλων εφαρμογών βρίσκονται σε δίλημμα ανάμεσα σε μοντέλα προγραμματισμού κοινής μνήμης ή κατανεμημένα. Με τα κατανεμημένα μοντέλα να αποτελούν την αρχική και πιο φυσική επιλογή στο περιβάλλον των συστάδων και των πλεγμάτων, ο προγραμματιστής έρχεται ξανά αντιμέτωπος με τα διαχρονικά προβλήματα που ενέχει η αποτύπωση του παραλληλισμού των εφαρμογών και ο προγραμματισμός με τη χρήση μοντέλων ανταλλαγής μηνυμάτων (message passing models). Έχοντας σαν στόχο την απαλλαγή του προγραμματιστή από τις δυσκολίες των κατανεμημένων μοντέλων, γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια για την υλοποίηση συστημάτων και εργαλείων που θα μπορέσουν να παρέχουν ένα αξιόπιστο περιβάλλον προγραμματισμού κοινής μνήμης, επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα συγκρίσιμη απόδοση με τα αντίστοιχα μοντέλα ανταλλαγής μηνυμάτων. Ωστόσο, ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των σύγχρονων περιβαλλόντων υπολογισμού, που δυσχεραίνει την μεταφορά της υπάρχουσας τεχνολογίας συστημάτων κατανεμημένης κοινής μνήμης από τις συστάδες υπολογιστών στα πλέγματα, είναι η εκτεταμένη ετερογένεια που παρατηρείται στα συστήματα που συμμετέχουν σε ένα υπολογιστικό πλέγμα. Συμμετέχοντας στην προσπάθεια πρότασης ενός εύχρηστου και αποδοτικού περιβάλλοντος προγραμματισμού, καταρχάς σε συστάδες υπολογιστών και με την προοπτική επέκτασης σε υπολογιστικά πλέγματα, στο πλαίσιο της συγκεκριμένης μεταπτυχιακής εργασίας υλοποιείται το σύστημα Pleiad. To Pleiad αποτελεί ολοκληρωμένο πρωτότυπο της αφαίρεσης κατανεμημένης κοινής μνήμης σε επίπεδο λογισμικού (Software Distributed Shared Memory - SDSM). Κύριος στόχος, δεδομένης της ετερογένειας των σύγχρονων παράλληλων συστημάτων, είναι τόσο η μεταφερσιμότητα όσο και η διαλειτουργικότητα του συστήματος και γι' αυτό το λόγο επιλέγεται για την υλοποίηση του η πλατφόρμα Java. Το σύστημα Pleiad είναι σε θέση να αξιοποιήσει τη σύγχρονη τάση στα πολυεπεξεργαστικά συστήματα, όπως αυτή καθορίζεται από την ευρεία διάθεση επεξεργαστών πολλαπλών πυρήνων, επιτρέποντας την εκτέλεση πολυνηματικών εφαρμογών στο εύρος του κατανεμημένου συστήματος. Επιπλέον η υλοποίηση λαμβάνει χώρα σε επίπεδο χρήστη (user-level), προσδίδοντας στο σύστημα μεγαλύτερη ευελιξία στο περιβάλλον των ιδεατών οργανισμών (virtual organizations - VOs) που διαθέτουν συστάδες υπολογιστών στο πλαίσιο πλεγμάτων. Τα αποτελέσματα από την πειραματική σύγκριση του συστήματος Pleiad με συναφή συστήματα είναι ενθαρρυντικά. Σε κάθε περίπτωση το πρωτότυπο του συστήματος Pleiad όπως παρουσιάζεται στη μεταπτυχιακή εργασία, αποτελεί έργο υποδομής, με αρκετά ενδιαφέροντα ζητήματα ανοικτά στην προοπτική μελλοντικής ερευνητικής δραστηριότητας. / The development and the deployment of clusters and computational grids, continuously increasing in our times, clearly form a distributed environment that is able to conduct computation at the scale of the Internet. Under these circumstances, parallel processing is urged to utilize the proximity of the afforded computational resources as it is accomplished by the advancements on high speed networks. At the same time the parallel applications programmers are quite often up against a dilemma having to choose between shared memory or distributed memory programming models. While distributed memory programming models are the most typical choice in the field of clusters and grids, the programmer encounters well known obstacles during his effort to extract the parallelism of the application. Willing to release the programmer from the need to explicitly express parallelism through message passing orchestration, much research has been done to implement middleware that provides the abstraction of shared memory programming while at the same time achieves acceptable performance compared to other message passing models. Nevertheless, one of the most fundamental characteristics of the modern, distributed computing environments that encumbers porting the existing DSM technology from clusters to grids, is the broad heterogeneity of the afforded computing resources. Participating in the effort of providing a simple, robust and yet efficient programming environment, firstly designated for clusters with the intention support seamless parallel programming on top of grids, at the present thesis we present Pleiad. Pleiad consists our research prototype providing the abstraction of shared memory programming, implemented at the software level (Software Distributed Shared Memory - SDSM). Considering by default the heterogeneity of the contemporary parallel systems, we have defined as a target of the presented thesis to provide a simple portable and interoperable DSM system. That direction led us to choose Java as our development platform. Pleiad is also able to utilize the trend in modern multiprocessors as it is defined by the advent of multicore CPUs by enabling the execution of multithreaded applications on top of the distributed hardware architecture. Moreover, the implementation of Pleiad takes place at the user level, which is the most appropriate decision concerning the highly diverse environment of the virtual organizations that are formed as parts of a grid. The first results of the experimental evaluation of Pleiad compared to similar systems are emboldening. In any case the first prototype of Pleiad as it is presented in the current thesis provides the essential infrastructure that will be used to further address open issues concerning our research interests on the topic of distributed shared memory abstraction.