[論文レビュー] Enabling Distributed Simulation of OMNeT++ INET Models

Mirko Stoffers, Ralf Bettermann+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2014

Simulation Techniques and Applications参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、OMNeT++ INET ネットワークシミュレーションモデルの並列実行を可能にする分散マルチステージ初期化（DMSI）メカニズムを提案する。これは、初期化中のグローバルステート依存性のため、従来並列シミュレーションと互換性がなかった。初期化を実行時と分離し、相互にLP間での情報交換を可能にすることで、4,000ノードのネットワークシミュレーション（10秒のリンク遅延を想定）で最大14倍の高速化を達成し、イーサーネット、IP、TCP、UDPを含む主要プロトコルにおいて実現可能性を示した。

ABSTRACT

Parallel and distributed simulation have been extensively researched for a long time. Nevertheless, many simulation models are still executed sequentially. We attribute this to the fact that many of those models are simply not capable of being executed in parallel since they violate particular constraints. In this paper, we analyze the INET model suite, which enables network simulation in OMNeT++, with regard to parallelizability. We uncovered several issues preventing parallel execution of INET models. We analyzed those issues and developed solutions allowing INET models to be run in parallel. A case study shows the feasibility of our approach. Though there are parts of the model suite that we didn't investigate yet and the performance can still be improved, the results show parallelization speedup for most configurations. The source code of our implementation is available through our web site at code.comsys.rwth-aachen.de.

研究の動機と目的

• OMNeT++ における並列実行を妨げる INET モデルスイートの根本的不整合要因を特定・解決すること。
• イーサーネット、IP、TCP、UDP を含む全プロトコルスタックをカバーする大規模ネットワークシナリオの分散シミュレーションを可能にすること。
• グローバルステート依存性を排除し、複数のシミュレーションピア（LP）間でシミュレーションの正しさを保つ分散初期化メカニズムを構築すること。
• 実世界の分散シミュレーションワークロードにおける、修正済み INET スイートの性能およびスケーラビリティを評価すること。
• 研究コミュニティによる広範な採用を促進するため、公開可能で拡張可能な実装を提供すること。

提案手法

• 分散シミュレーションピア間でグローバル変数の依存関係を解消するための分散マルチステージ初期化（DMSI）プロトコルの設計および実装。
• 初期化を実行時と分離し、メッセージパッシングのセマンティクスを用いて、初期シミュレーションセットアップ後にのみ相互LP間での情報交換を遅延処理する。
• 初期化段階での直接的なリモートメソッド呼び出しやグローバルステートへのアクセスを回避するように INET コンポーネントを変更し、スレッドセーフで分散実行可能な状態を確保する。
• 並列シミュレーションにおける効率的な同期を可能にするために、可変なリンク遅延（10ナノ秒から10秒まで）を導入する。
• 局所的およびリモートホスト間で現実的なトラフィックパターンをシミュレートするため、指数分布を用いた到着間隔およびサイズ分布を持つ変更済みUDP Basic App を使用する。
• 58 LP クラスタを用いて、異なる乱数生成器のシードを用いて30回の繰り返しを実施し、平均の高速化率および99%信頼区間を測定して性能ベンチマークを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 INET モデルスイートに内在する、分散シミュレーションでの使用を妨げるアーキテクチャ的および意味的制約は何か？
• RQ2 特にグローバルステートへのアクセスといった初期化フェーズの依存関係は、どのように解消することで正しく分散シミュレーションが可能になるか？
• RQ3 修正済み INET スイートを用いた大規模ネットワークシナリオにおいて、並列シミュレーションの高速化はどの程度達成可能か？
• RQ4 変動するリンク遅延およびトラフィックの局所性（局所的 vs. リモート）は、並列化されたシミュレーションの性能およびスケーラビリティにどのように影響するか？
• RQ5 現在の並列化アプローチにおいて、IPv6 や WLAN といった一般的なネットワークプロトコルは、未対応のまま残っているか、さらなる分析を要するか？

主な発見

• 提案された DMSI メカニズムは、初期化段階におけるグローバル変数およびリモートメソッドアクセスの問題を効果的に解消し、INET モデルの正しく分散実行を可能にした。
• 10秒のリンク遅延に設定した4,000ノードのネットワークシミュレーションで最大14倍の並列化高速化が達成され、強力なスケーラビリティを示した。
• 10ナノ秒のリンク遅延でも高速化が観察されたが、性能向上は限定的であった。最適なパフォーマンスは10秒のラックアラウンドで達成された。
• 高遅延（例：10秒）では、特にマルチノードクラスタ上でのLP境界でのキューイングオーバーヘッドが増加し、パフォーマンスが停滞または低下した。
• 実装はイーサーネット、IPv4、ICMPv4、ARP、UDP、TCP および関連アプリケーション（例：HTTP、UDP App）を含む主要プロトコルをサポートしている。
• ソースコードは https://code.comsys.rwth-aachen.de/redmine/projects/parallel-inet で公開されており、研究コミュニティによる再利用および拡張が可能である。