[논문 리뷰] LCIO - A persistency framework for linear collider simulation studies

Frank Gaede, T. Behnke외 2명|ArXiv.org|2003. 06. 13.

Distributed and Parallel Computing Systems인용 수 8

한 줄 요약

LCIO는 선형 충돌기 시뮬레이션 및 재구성 소프트웨어 간의 데이터 저장 및 공유를 통합하기 위해 설계된 경량이며 확장 가능한 지속성 프레임워크이다. AID 도구를 사용하여 동기화된 자바, C++, 그리고 포트란 API를 제공하며, SIO를 최초의 기계 독립적이고 압축된 순차 파일 포맷으로 사용함으로써 상호 운용성과 국제적 검출기 연구 개발 그룹 간의 중복을 줄인다.

ABSTRACT

Almost all groups involved in linear collider detector studies have their own simulation software framework. Using a common persistency scheme would allow to easily share results and compare reconstruction algorithms. We present such a persistency framework, called LCIO (Linear Collider I/O). The framework has to fulfill the requirements of the different groups today and be flexible enough to be adapted to future needs. To that end we define an `abstract object persistency layer' that will be used by the applications. A first implementation, based on a sequential file format (SIO) is completely separated from the interface, thus allowing to support additional formats if necessary. The interface is defined with the AID (Abstract Interface Definition) tool from freehep.org that allows creation of Java and C++ code synchronously. In order to make use of legacy software a Fortran interface is also provided. We present the design and implementation of LCIO.

연구 동기 및 목표

• 국제적 선형 충돌기 시뮬레이션 및 재구성 소프트웨어 프레임워크 간에 공통된 데이터 지속성 포맷이 부족한 문제를 해결한다.
• 다양한 프로그래밍 언어를 사용하는 다양한 연구 그룹 간에 재구성 알고리즘의 데이터 공유와 비교를 원활하게 한다.
• 현재의 시뮬레이션 요구사항을 수용할 수 있고 향후 요구사항에 대응할 수 있도록 민첩하고 확장 가능한 데이터 모델을 제공한다.
• 레거시 소프트웨어를 지원하기 위해 포트란 인터페이스를 포함하여 기존 호환성과 광범위한 도입을 보장한다.
• 시뮬레이션 파이프라인 전반에 걸쳐 데이터 입출력을 표준화하여 통합 소프트웨어 프레임워크의 기반을 마련한다.

제안 방법

• 물리적 데이터를 표현하기 위해 핵심 엔터티(이벤트, MCParticle, TrackerHit, CalorimeterHit, Track, Cluster, ReconstructedParticle)와 그 관계를 정의하여 공통 데이터 모델을 설정한다.
• 단일 사양에서 자바와 C++ 인터페이스를 동기화하여 생성하기 위해 AID 도구를 사용하여 언어 간 API 일관성을 보장한다.
• C++ 기반의 코어를 구현하고, cfortran.h와 64비트 정수 포인터를 사용하여 C++ API를 포트란에 노출하기 위한 래퍼 함수를 제공함으로써 이식성과 호환성을 확보한다.
• SIO(시리얼 인풋 아웃풋)를 최초의 파일 포맷으로 선택하여, XDR 기반의 이식성, 실시간 zlib 압축, 순차 형식에서의 객체 참조 지원 기능을 활용한다.
• 추상적 객체 지속성 레이어를 통해 추상 인터페이스와 구체적 구현을 분리함으로써 향후 포맷 이관 시 코드 변경 없이도 가능하게 한다.
• 프레임워크를 세 가지 사용 사례를 지원하도록 설계한다: 데이터 쓰기(시뮬레이션), 읽기 및 데이터 확장(재구성), 읽기 전용 액세스(분석).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 프로그래밍 언어를 사용하는 선형 충돌기 연구 개발에서 시뮬레이션 및 재구성 소프트웨어를 통합하기 위한 공통적이고 확장 가능한 데이터 지속성 프레임워크는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 성능과 이식성을 유지하면서도 자바, C++, 포트란 간 일관된 다국적 API를 제공할 수 있는 기술적 접근은 무엇인가?
• RQ3 완전한 마이그레이션 없이도 레거시 포트란 기반 재구성 소프트웨어를 현대적인 객체 지향 I/O 프레임워크에 통합할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 대규모 선형 충돌기 시뮬레이션 데이터에 적합한 성능, 이식성, 확장성의 포맷은 무엇인가?
• RQ5 통합된 데이터 모델이 다양한 검출기 시뮬레이션 및 재구성 워크플로우에서 변화하는 물리적 요구사항을 얼마나 잘 수용할 수 있는가?

주요 결과

• LCIO는 자바, C++, 포트란 간 동기화된 다국적 API를 성공적으로 제공하여 주요 시뮬레이션 및 재구성 프레임워크 간의 상호 운용성을 실현하였다.
• AID 도구의 사용으로 자바와 C++ 간 API 일관성이 최소한의 유지보수 비용으로 보장되며, 향후 언어 확장도 지원한다.
• cfortran.h를 활용한 C++ 래퍼 함수를 통해 구축된 포트란 인터페이스 덕분에 브라함스와 같은 기존 코드베이스가 대규모 재구성 없이도 LCIO를 사용할 수 있게 되었다.
• SIO는 기계 독립성, 실시간 압축, 순차 형식에서의 객체 참조 지원 기능 덕분에 최초의 파일 포맷으로 채택되었다.
• 추상 인터페이스 레이어 덕분에 응용 프로그램 로직과 데이터 저장소가 분리되어 향후 다른 포맷으로의 이관 시 사용자 코드 변경 없이도 가능하다.
• 프레임워크는 미국 기반의 hep.lcd와 유럽의 Mokka/Brahms 프레임워크 모두에서 채택되어 실제 국제 협업 환경에서의 설계 유효성을 입증하였다.