Paralelné a distribuované systémy - ÚINF/PDS


Prvý záverečný písomný test bude v stredu 21. 5. 2025 o 10:00 v P12
Ústne preskúšanie bude potom popoludní. Tu sú otázky na ústne preskúšanie.
Druhý záverečný písomný test bude vo štvrtok 5. 6. 2025 o 10:00 v P12

Posledný záverečný písomný test v tomto semestri bude vo štvrtok 26. 6. 2025 o 10:00 v P12

Cvičenia
Odporúčaná literatúra a ďalšie zdroje informácií
Pravidlá hodnotenia

Zadania domácich úloh - séria A, séria B, séria C, séria D, séria E, séria F, séria G, séria G+
séria H, séria I, séria J, séria K, séria L

  Prebraté a plánované témy
12.2.2025
P3
15:20
Základné problémy konkurentného, paralelného a distribuovaného výpočtového modelu.
Problémy konkurencie procesov vo viacúlohových systémoch.
Problém vzájomného vylúčenia (mutual exclusion). Riešenia s aktívnym a pasívnym čakaním.
Kritická sekcia a jej ošetrenie mutexami. Lamportov algoritmus.
Semafory a ich využitie pri riešení synchronizačných úloh.
Slajdy z prednášky.
kapitoly 6 a 7 (str. 257 - 316) z Operating System Concepts (v intranete)
Úlohy na precvičenie séria A - odovzdať do 17. 2. 2025, 14:25
17.2.2025
P3
14:25
Synchronizácia procesov, bariéry, monitor.
Úlohy typu producer-consumer, readers-writers.
Problémy uviaznutia a vyhladovania a ich riešenie.
Kapitola 8 z Operating System Concepts (v intranete)
Slajdy z prednášky (konkurentné programovanie).
Modely paralelných výpočtov. Booleovské obvody, systolické polia.
Slajdy z prednášky (paralelné modely na hw úrovni).
Úlohy na precvičenie séria B - odovzdať do 26. 2. 2025, 15:20
26.2.2025
15:20
Paralelný výpočtový model PRAM.
Alternatívy prístupu do spoločnej pamäte (EREW, CREW, CRCW).
Charakteristiky paralelného algoritmu - zrýchlenie (speedup), efektivita, cena.
Problém sčítania n prvkov, binárna redukcia.
Výpočet charakteristík pre problém sčítania n prvkov, škálovanie.
Paralelný algoritmus na výpočet prefixových súčtov.
Joseph Jájá: An Introduction to Parallel Algorithms - kapitoly 1.3., 1.4., 2.1.
Slajdy z prednášky.
Úlohy na precvičenie séria C - odovzdať do 3. 3. 2025, 14:25
3.3.2025
P3
14:25
Paralelný algoritmus na vyhľadávanie maximálneho prvku.
Odmocninová redukcia, dvojlogaritmický strom.
Amdahlov zákon. Gustafsonov zákon.
Joseph Jájá: An Introduction to Parallel Algorithms - kapitola 2.6.
Slajdy z prednášky.
Úlohy na precvičenie séria D - odovzdať do 10. 3. 2025, 14:25
10.3.2025
P3
14:25
Work-time zápis paralelných algoritmov, optimalita.
Optimálny paralelný algoritmus na výpočet prefixových súčtov.
Joseph Jájá: An Introduction to Parallel Algorithms - kapitoly 1.5., 1.6., 2.1.
Slajdy z prednášky.
Úlohy na precvičenie séria E - odovzdať do 19. 3. 2025, 15:20
19.3.2025
15:20
P11
Paralelné prehľadávanie, rank, paralelné zlučovanie.
Paralelné usporiadanie pomocou paralelného zlučovania (MergeSort), optimalizácia.
Joseph Jájá: An Introduction to Parallel Algorithms - kap. 2.4 a kap. 4 - MergeSort
Slajdy z prednášky.
Úlohy na precvičenie séria F - odovzdať do 26. 3. 2025, 15:20
26.3.2025
15:20
P11
Bitonické postupnosti, bitonické zlučovanie, MergeSort s bitonickým zlučovaním.
Even-odd zlučovanie, 0-1 princíp.
Sortovacie siete
Pointer jumping a paralelný prefix v lese.
Joseph Jájá: An Introduction to Parallel Algorithms - kapitola 2.2, kapitola 4.4
Slajdy z prednášky.
Úlohy na precvičenie séria G - odovzdať do 2. 4. 2025, 15:20
31.3.2025
14:25 P3
Polsemestrálny písomný test.
2.4.2025
15:20
P11
Model distribuovaného výpočtu, komunikačné kanály.
Synchrónne a asynchrónne odovzdávanie správ, časová a komunikačná zložitosť.
Slajdy z prednášky
Úlohy na precvičenie séria G+ - odovzdať do 9. 4. 2025, 15:20
9.4.2025
15:20
P11
Komunikácia v kruhovej sieti, voľba koordinátora.
Šírenie správ v sieti záplavou (flood).
M. Raynal: Distributed Algorithms for Message-Passing Systems (v intranete)
kapitola 4. Leader Election Algorithms
Slajdy z prednášky
Úlohy na precvičenie séria H - odovzdať do 16. 4. 2025, 15:20
16.4.2025
15:20
P11
Komunikácia vlnou (wave), výzva (join) a odpoveď (echo) spätnou vlnou.
Distribuované prehľadávanie acyklickej siete do šírky.
Problémy komunikácie v neacyklickej sieti.
Minimálna kostra ohodnoteného grafu. Najkratšie cesty.
Intervalové a prefixové smerovanie.
M. Raynal: Distributed Algorithms for Message-Passing Systems (v intranete)
kapitola 1. Network Traversal a 2. Distributed Graph Algorithms (2.1 Distributed Shortest Path)
Slajdy z prednášky
Úlohy na precvičenie séria I - odovzdať do 23. 4. 2025, 15:20
23.4.2025
15:20
P11
J. van Leeuwen, R. B. Tan: Intervalové smerovanie
E. M. Bakker, J. van Leeuwen, R. B. Tan: Prefixové smerovanie
Synchronizácia času v distribuovaných systémoch.
Riešenie logickými a fyzickými hodinami, koordinácia, intervalový a vektorový čas.
M. Raynal: 7.1 Logical Time in Asynchronous Distributed Systems
Slajdy z prednášky
Úlohy na precvičenie séria J - odovzdať do 7. 5. 2025, 15:20
7.5.2025
15:20
P11
Aktuálny obraz systému (snapshot).
Ošetrenie vzájomného vylúčenia v distribuovanom systéme.
Problém uviaznutia v distribuovanom systéme.
Možnosti detekcie a prevencie uviaznutia (wound-wait, wait-die).
M. Raynal: 11. Distributed Resource Allocation, 15. Distributed deadlock detection
A. D. Kshemkalyani, M. Singhal: Distributed Computing ( v intranete )
4. Global state and snapshot recording algorithms,
9. Distributed mutual exclusion algorithms 10. Deadlock detection
Slajdy z prednášky
Úlohy na precvičenie séria K - odovzdať do 12. 5. 2025, 14:25
12.5.2025
14:25
P03
Detekcia ukončenia výpočtu.
Tolerancia chýb v distribuovanom systéme.
Spoľahlivé výpočty v prostredí s chybami.
Možnosti dosiahnutia dohody a zhody (konsenzu) v nespoľahlivom prostredí.
Byzantínske chyby, problém dohody byzantínskych generálov
Distribuovaný konsenzus - systém Paxos, Raft.
A. D. Kshemkalyani, M. Singhal: Distributed Computing ( v intranete )
Chapters 7. Termination detection 14. Consensus and agreement algorithms
Slajdy z prednášky

Lamport, Shostak, Pease: The Byzantine Generals Problem Video
Practical Byzantine Fault Tolerance Video

Úlohy na opakovanie séria L - odovzdať do 21. 5. 2025, 10:00


Odporúčaná literatúra :

M. Raynal: Concurrent Programming: Algorithms, Principles, and Foundations (prístupná v intranete)
M. Raynal: Distributed Algorithms for Message-Passing Systems (prístupná v intranete)
A. D. Kshemkalyani, M. Singhal: Distributed Computing ( slajdy, v intranete )

R. Trobec et al.: Introduction to Parallel Computing (prístupná v intranete)
Joseph Jájá: An Introduction to Parallel Algorithms, Addison-Wesley Prof. Pub., 1992

A.S. Tanenbaum, M. van Steen: Distributed Systems, CreateSpace, 2017
Gerard Tel: Introduction to Distributed Algorithms, CUP 2001 (Google-books)
Sukumar Ghosh: Distributed Systems and Algorithms (Second Edition), CRC Press 2014
P. Sanders, K. Mehlhorn, M. Dietzfelbinger, R. Dementiev: Sequential and Parallel Algorithms and Data Structures (prístupná v intranete)


Ďalšie zdroje na Sieti
NVIDIA GB202 Blackwell architektúra pdf
Dátové centrá Google video
Internetové štatistiky

V. K. Garg: Elements of Distributed Computing (distrib. algoritmy v Jave)



Kritériá hodnotenia - bodované aktivity:

Celkove je možné získať spolu aspoň 140 bodov. Na absolvovanie so ziskom kreditov
je potrebných aspoň 70 bodov (z čoho aspoň 10 za záverečné ústne preskúšanie).
Stupňom D budeme hodnotiť zisk aspoň 80 bodov, C aspoň 90 bodov, B aspoň 100 bodov a A aspoň 110 bodov.


V písomnom teste sa predpokladá orientácia, znalosti a schopnosti riešiť úlohy zo všetkých prebratých tém z druhej časti semestra (distribuované algoritmy a systémy).

Otázky na ústne preskúšanie (z každej časti jedna) :

*Vzájomné vylúčenie s pasívnym a aktívnym čakaním - príklady riešenia v konkurentnom prostredí.
*Problém uviaznutia a jeho riešenie v sekvenčnom, paralelnom a distribuovanom prostredí.
*Modely paralelných výpočtových prostredí, varianty PRAM modelu vzhľadom k prístupu k zdieľanej pamäti.
Časová zložitosť, zrýchlenie, cena výpočtu, efektívnosť, škálovateľnosť (príklad - paralelné sčítanie).
*Work-time zápis paralelných algoritmov, čas výpočtu, práca, optimalita (príklad - hľadanie maxima).
*Paralelný algoritmus pre výpočet prefixových súčtov - odhad zložitosti, zrýchlenia, optimálnosť, nerekurzívny prístup, možnosti použitia.
*Amdahlov a Gustafsonov zákon pre odhad reálnej časovej zložitosti výsledku paralelizácie.
*Paralelné výpočty v konštantnom čase (jedinečný/prvý výskyt v postupnosti, monotónnosť)
*Paralelný ranking, zlučovanie usporiadaných postupností v logaritmickom čase.
*Bitonické postupnosti, bitonické triedenie a použitie pre usporiadanie ľubovoľnej postupnosti.
*Even-odd triedenie, 0-1 princíp a jeho využitie pre dôkaz správnosti algoritmu.
*Paralelné hľadanie koreňov v lese v logaritmickom čase.

*Model distribuovaného výpočtu, synchrónne a asynchrónne odovzdávanie správ, časová a komunikačná zložitosť.
*Hľadanie koordinátora v kruhovej (jednosmernej a obojsmernej) sieti. Časová a komunikačná zložitosť.
*Šírenie správ v sieti algoritmom záplavy (príkad - hľadanie koordinátora).
*Algoritmy vlny, prehľadávanie do šírky v acyklickej a v neacyklickej sieti (príklad).
*Zisťovanie najkratšej cesty ku koordinátorovi pre vážené prepojenia v synchrónnej sieti.
*Intervalové a prefixové smerovanie - základné algoritmické princípy.
*Synchronizácia času v distribuovaných systémoch, riešenie logickými a fyzickými hodinami.
*Riešenie problému vzájomného vylúčenia v distribuovanom prostredí (Ricart-Agrawala, Maekawa).
*Vytvorenie konzistentnej snímky systému v silne súvislej synchrónnej distribuovanej sieti (Chandy-Lamport).
*Detekcia ukončenia (Dijkstra-Scholten).
*Typy chýb distribuovaného prostredia a možnosti ich odstránenia. Riešenie problému zhody s najviac k fatálnymi chybami.
*Problém dosiahnutia dohody a zhody (konsenzu) v synchrónnych systémoch s fatálnymi a byzantínskymi chybami.