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We live in age of data ubiquity. Even the most conservative estimates predict exponential growth in produced, transmitted and stored data. Big data is used to power business analytics as well as to foster scientific discoveries. In many cases, explosion of produced data exceeds capabilities of digital storage systems. Scientific high-performance computing environments cope with this problem by utilizing large, distributed, storage systems. These complex systems can only provide a high degree of reliability and durability by means of data redundancy. The most straight-forward way of doing that is by replicating the data over different physical devices. However, more elaborate approaches, such as erasure coding, can provide similar data protection while utilizing less storage. Recently, software-defined reliability methods began to replace traditional, hardware- based, solutions. Complicated failure modes of storage system components also warrant checksums to guaranty long-term data integrity. To cope with ever increasing data volumes, flexible and efficient software implementation of error correction codes is of great importance. This thesis introduces a method for realizing a flexible Reed-Solomon erasure code using the “Just-In-Time” compilation technique. By exploiting intrinsic arithmetic redundancy in the algorithm, and by relying on modern optimizing compilers, we obtain a throughput-efficient erasure code implementation. Additionally, exploitation of data parallelism is achieved effortlessly by instructing the compiler to produce SIMD code for desired execution platform. We show results of codes implemented using SSE and AVX2 SIMD instruction sets for x86, and NEON instruction set for ARM platforms. Next, we introduce a framework for efficient vectorized RAID-Z redundancy operations of ZFS file system. Traditional, table-based Galois field multiplication algorithms are replaced with custom SSE and AVX2 parallel methods, providing significantly faster and more efficient parity operations. The implementation of this framework was made publicly available as a part of ZFS on Linux project, since version 0.7. Finally, we propose a new erasure scheme for use with existing, high performance, parallel filesystems. Described reliability middleware (ECCFS) allows definition of flexible, file-based, reliability policies, adapting to customized user needs. By utilizing the block erasure code, the ECCFS achieves optimal storage, computation, and network resource utilization, while providing a high level of reliability. The distributed nature of the middleware allows greater scalability and more efficient utilization of storage and network resources, in order to improve availability of the system.
Hydroxyethylstärke (HES) ist ein kolloidales Volumenersatzmittel, das zur Volumenbehandlung bei Trauma und bei Schock und zur Verbesserung der Rheologie bei Durchblutungsstörungen angewendet wird. Amylopektin, die Grundlage von HES, wird zur Veränderung der physikalischen Eigenschaften substituiert, um eine für die Infusion geeignete Lösung herstellen zu können. Ein wichtiger Begleiteffekt dieser Substitution ist, dass durch die dadurch erzeugten Störstellen der enzymatische Abbau der Volumenersatzmittel durch Serumglykosidasen minimiert wird. Die molekularen Eigenschaften der HES können anhand der Molekulargewichtsverteilung, beschrieben durch den Gewichtsmittelwert der Molmassen Mw, den Zahlenmittelwert der Molmassen Mn und die Molmasse im Peakmaximum Mp, sowie nach dem Ausmaß der Substitution beschrieben werden. Im Handel befindliche HES-Lösungen werden anhand des Gewichtsmittelwertes der Molmassen (Mw) und der molaren Substitution (MS) gekennzeichnet. Nach bisherigen Erkenntnissen zur Speicherung der HES in Organen stellten sich die Fragen, ob die Hypothese, dass HES durch lysosomale Enzyme abgebaut wird untermauert werden kann und ob es möglich ist, die Sicherheit der HES für die Anwendung am Patienten durch gezielte Verwendung bestimmter HES-Fraktionen zu verbessern. Ziel dieser Arbeit war daher, erstmals die Molekulargewichtsverteilung der nach Infusion von HES in Milz und Leber gespeicherten HES mittels Ausschluss-Chromatographie gekoppelt mit Mehrwinkel-Laser-Streulicht-Detektion zu bestimmen. Untersucht wurden drei handelsübliche HES-Präparate mit unterschiedlichem Mw und unterschiedlicher Substitution (die Bezeichnung schließt Mw (kDa) und MS ein): HES 130/0,4 und HES 200/0,5 sowie HES 450/0,7. Je acht Wistar-Ratten pro Versuchsgruppe erhielten 18 ml HES infundiert. Die Organe wurden für die Molmassenbestimmung bis zu fünfzig Tagen nach Infusion entnommen. Die Hämoglobinkonzentrationen und Hämatokritwerte bei den Blutabnahmen in den ersten 48 Stunden wurden ermittelt und gaben Aufschluss über die Hämodilution. Als wichtigstes Ergebnis wurde eine unterschiedliche Molmassenverteilung der HES aus Milz und Leber festgestellt. In der Leber werden vorwiegend niedermolekulare Anteile gespeichert. Das Mw der HES in der Leber lag direkt nach Infusion bei 89.606±8.570 (HES 450/0,7), 20.038±1.600 (HES 200/0,5) und 23.769±2.489 (HES 130/0,4). Im Verlauf der Untersuchungen stieg das Mw in der Leber bis maximal Tag 5 (HES 450/0,7) nach Infusion zwar an, fiel dann aber bei den weiteren Bestimmungen nach mehr als 5 Tagen wieder ab. Das Peakmaximum der Molmassenverteilung der HES in der Leber blieb dabei größtenteils konstant (HES 450/0,7: ~60 kDa; HES 200/0,5: ~30 kDa; HES 130/0,4: ~30 kDa). Die Molmassenverteilung der Milz wies hingegen hochmolekulare HES auf, wobei die Molmassen im Verlauf der Zeit noch zunahmen. Das Mw nach Infusion von HES 450/0,7 stieg dabei von 148.220 Da auf 229.617 Da im Mittel an. Möglicherweise erfolgt in der Milz vor allem eine Speicherung schwer zu spaltender HES. In der Leber konnte nach Infusion aller HES-Präparate und bereits unmittelbar nach Infusion HES gefunden werden. In der Milz war nur nach Infusion der hochmolekularen, hochsubstituierten HES 450/0,7 und der mittelmolekularen, mittelsubstituierten HES 200/0,5 gespeicherte HES nachzuweisen. Nach Infusion der HES 200/0,5 war dabei nur vereinzelt und erst ab einem Tag HES in der Milz auszumachen. In der Leber war die Speicherung der HES 450/0,7 ebenfalls am längsten festzustellen, während bei HES 130/0,4 die Speicherung in der Leber nur bis 3 Tage nach Infusion bestand. Der Verlauf der Molmassenverteilung in der Leber deutet auf einen intrazellulären Abbau der HES durch lysosomale Enzyme hin, während in der Milz über einen langen Zeitraum nicht gespaltene hochmolekulare HES angereichert wird. Die niedermolekulare, niedrigsubstituierte HES ist hinsichtlich der vorhersehbaren Dauer der Speicherung als besonders günstig anzusehen. In der Leber werden jedoch bei allen HES-Präparaten niedermolekulare Anteile in Konkurrenz zur renalen Elimination aufgenommen. Daher ist die wiederholte, hochdosierte Anwendung von HES bei dekompensierter Niereninsuffizienz aufgrund der Gefahr einer mechanischen Beeinträchtigung der Leber durch dort kumulierte HES stets kritisch zu betrachten.