Vérification des performances et de la correction des systèmes distribués

par Cristian Rosa

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Stephan Merz et de Martin Quinson.

Le président du jury était Isabelle Chrisment.

Le jury était composé de Brigitee Rozoy.

Les rapporteurs étaient Ganesh Gopalakrishnan, Jean-François Méhaut.


  • Résumé

    Les systèmes distribués sont au coeur des technologies de l'information.Il est devenu classique de s'appuyer sur multiples unités distribuées pour améliorer la performance d'une application, la tolérance aux pannes, ou pour traiter problèmes dépassant les capacités d'une seule unité de traitement. La conception d'algorithmes adaptés au contexte distribué est particulièrement difficile en raison de l'asynchronisme et du non-déterminisme qui caractérisent ces systèmes. La simulation offre la possibilité d'étudier les performances des applications distribuées sans la complexité et le coût des plates-formes d'exécution réelles. Par ailleurs, le model checking permet d'évaluer la correction de ces systèmes de manière entièrement automatique. Dans cette thèse, nous explorons l'idée d'intégrer au sein d'un même outil un model checker et un simulateur de systèmes distribués. Nous souhaitons ainsi pouvoir évaluer la performance et la correction des applications distribuées. Pour faire face au problème de l'explosion combinatoire des états, nous présentons un algorithme de réduction dynamique par ordre partiel (DPOR), qui effectue une exploration basée sur un ensemble réduit de primitives de réseau. Cette approche permet de vérifier les programmes écrits avec n'importe laquelle des interfaces de communication proposées par le simulateur. Nous avons pour cela développé une spécification formelle complète de la sémantique de ces primitives réseau qui permet de raisonner sur l'indépendance des actions de communication nécessaire à la DPOR. Nous montrons au travers de résultats expérimentaux que notre approche est capable de traiter des programmes C non triviaux et non modifiés, écrits pour le simulateur SimGrid. Par ailleurs, nous proposons une solution au problème du passage à l'échelle des simulations limitées pour le CPU, ce qui permet d'envisager la simulation d'applications pair-à-pair comportant plusieurs millions de noeuds. Contrairement aux approches classiques de parallélisation, nous proposons une parallélisation des étapes internes de la simulation, tout en gardant l'ensemble du processus séquentiel. Nous présentons une analyse de la complexité de l'algorithme de simulation parallèle, et nous la comparons à l'algorithme classique séquentiel pour obtenir un critère qui caractérise les situations où un gain de performances peut être attendu avec notre approche. Un résultat important est l'observation de la relation entre la précision numérique des modèles utilisés pour simuler les ressources matérielles, avec le degré potentiel de parallélisation atteignables avec cette approche. Nous présentons plusieurs cas d'étude bénéficiant de la simulation parallèle, et nous détaillons les résultats d'une simulation à une échelle sans précédent du protocole pair-à-pair Chord avec deux millions de noeuds, exécutée sur une seule machine avec un modèle précis du réseau

  • Titre traduit

    Performance and correctness assessmet of distributed systems


  • Résumé

    Distributed systems are in the mainstream of information technology. It has become standard to rely on multiple distributed units to improve the performance of the application, help tolerate component failures, or handle problems too large to fit in a single processing unit. The design of algorithms adapted to the distributed context is particularly difficult due to the asynchrony and the nondeterminism that characterize distributed systems. Simulation offers the ability to study the performance of distributed applications without the complexity and cost of the real execution platforms. On the other hand, model checking allows to assess the correctness of such systems in a fully automatic manner. In this thesis, we explore the idea of integrating a model checker with a simulator for distributed systems in a single framework to gain performance and correctness assessment capabilities. To deal with the state explosion problem, we present a dynamic partial order reduction algorithm that performs the exploration based on a reduced set of networking primitives, that allows to verify programs written for any of the communication APIs offered by the simulator. This is only possible after the development of a full formal specification with the semantics of these networking primitives, that allows to reason about the independency of the communication actions as required by the DPOR algorithm. We show through experimental results that our approach is capable of dealing with non trivial unmodified C programs written for the SimGrid simulator. Moreover, we propose a solution to the problem of scalability for CPU bound simulations, envisioning the simulation of Peer-to-Peer applications with millions of participating nodes. Contrary to classical parallelization approaches, we propose parallelizing some internal steps of the simulation, while keeping the whole process sequential. We present a complexity analysis of the simulation algorithm, and we compare it to the classical sequential algorithm to obtain a criteria that describes in what situations a speed up can be expected. An important result is the observation of the relation between the precision of the models used to simulate the hardware resources, and the potential degree of parallelization attainable with this approach. We present several case studies that benefit from the parallel simulation, and we show the results of a simulation at unprecedented scale of the Chord Peer-to-Peer protocol with two millions nodes executed in a single machine


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