\subsection{Das bitone Mergesort-Netzwerk}
Das \emph{bitone Mergesort}-Netzwerk ($\operatorname{BS}(n)$) ist ein
-Sortiernetzwerk, das 1968 von \emph{K.~E.~Batcher} veröffentlicht wurde. Es
-ist deutlich effizienter als das Odd-Even-Transporitionsort-Netzwerk -- sowohl
-in Bezug auf die Anzahl der Komparatoren als auch bezüglich der benötigten
-Zeit, also der Anzahl der Schichten.
+Sortiernetzwerk, das 1968 von \emph{Kenneth~E. Batcher} in~\cite{B1968}
+veröffentlicht wurde. Es ist deutlich effizienter als das
+Odd-Even-Transporitionsort-Netzwerk -- sowohl in Bezug auf die Anzahl der
+Komparatoren als auch bezüglich der benötigten Zeit, also der Anzahl der
+Schichten.
Das Sortiernetzwerk basiert auf einem Komparatornetzwerk, welches zwei
sortierte Listen zusammenfügen (englisch: \textit{to~merge}) kann. Dieser
Instanzen des Netzwerks, deren Leitungszahl eine Zweierpotenz ist,
$\operatorname{BS}(n = 2^t)$.
-Ein Netzwerk von K.~E.~Batcher. Siehe:
-K.E. Batcher: Sorting Networks and their Applications. Proc. AFIPS Spring
-Joint Comput. Conf., Vol. 32, 307-314 (1968)
-\todo{Bibtex!}
-
\subsubsection{Der bitone Mischer}\label{sect:der_bitone_mischer}
Das \emph{bitone Mergesort-Netzwerk} basiert auf dem sogenannten \emph{bitonen
\begin{center}
\input{images/batcher-8.tex}
\end{center}
- \caption{$S(8)$, Batcher's {\em bitone Mergesort-Netzwerk} für acht
- Eingänge. Markiert sind die beiden Instanzen von $S(4)$ (rot), die beiden
- bitonen Mischer~$M(4)$ (blau) und die Komparatoren, die im letzten rekursiven
- Schritt hinzugefügt wurden (grün).}
- \label{fig:batcher_08}
+ \caption{$\operatorname{BS}(8)$, Batchers {\em bitones Mergesort-Netzwerk}
+ für acht Eingänge. Markiert sind die beiden Instanzen von
+ $\operatorname{BS}(4)$ (rot), die beiden bitonen
+ Mischer~$\operatorname{BM}(4)$ (blau) und die Komparatoren, die im letzten
+ rekursiven Schritt hinzugefügt wurden (grün).}
+ \label{fig:bitonic-08}
\end{figure}
Das konkrete Netzwerk~$\operatorname{BS}(8)$ ist in
-Abbildung~\ref{fig:batcher_08} zu sehen. Eingezeichnet sind ebenfalls die
+Abbildung~\ref{fig:bitonic-08} zu sehen. Eingezeichnet sind ebenfalls die
beiden Instanzen des Netzwerks~$\operatorname{BS}(4)$ (rot) sowie der bitone
Mischer~$\operatorname{BM}(8)$ (blau). Die trichterförmige Komparator-Kaskade,
die die bitone Eingabefolge in zwei bitone Ausgabefolgen transformiert, ist
Abschnitt~\ref{sect:odd_even_transpositionsort}) wenig gemein. Vielmehr ist
OES dem \emph{bitonen Mergesort-Netzwerk}, das im vorherigen Abschnitt
vorgestellt wurde, ähnlich: Auch dieses Sortiernetzwerk ist von
-\textit{K.~Batcher} gefunden worden und wird rekursiv durch einen Mischer
-definiert.
+\textit{Kenneth~E. Batcher} gefunden worden und ist ebenfalls in~\cite{B1968}
+beschrieben und initial analysiert worden. Eine weitere Gemeinsamkeit besteht
+darin, dass es ebenfalls rekursiv durch einen Mischer definiert wird.
\subsubsection{Der Odd-Even-Mischer}\label{sect:der_odd_even_mischer}
\subsection{Zwei Netzwerke kombinieren}
-\begin{itemize}
-\item Mit dem Bitonic-Merge
-\item Mit dem Odd-Even-Merge
-\item Nach dem Pairwise sorting-network Schema.
-\end{itemize}
+Um Sortiernetzwerke als \emph{Individuen} evolutionärer Algorithmen verwenden
+zu können, muss es möglich sein, zwei Sortiernetzwerke zu einem neuen
+Sortiernetzwerk zusammenzufassen.
+
+Wir haben diese Technik in den vorangegangen Abschnitten bereits verwendet,
+beispielsweise um zwei \emph{bitone Mergesort-Netzwerke} mit jeweils der
+halben Leitungszahl, $\operatorname{BS}\left(\frac{n}{2}\right)$, zu einem
+einzigen Sortiernetzwerk $\operatorname{BS}(n)$ zu kombinieren. Auch das
+\emph{Odd-Even-Mergesort-Netzwerk} $\operatorname{OES}(n)$ wurde auf diese Art
+und Weise rekursiv aufgebaut.
+
+Die vorgestellten \emph{Mischer} erwarten als Eingabe zwei bereits sortierte
+Folgen. \emph{Wie} diese Folgen sortiert wurden, ist unerheblich. Entsprechend
+können wir beliebige Sortiernetzwerke einsetzen, um die beiden Eingabefolgen
+zu sortieren, und die Ausgaben mit einem der beschriebenen Mischer
+zusammenfügen.
+
+Beispielsweise kann man die Ausgabe von zwei \emph{bitonen
+Mergesort-Netzwerken} $\operatorname{BS}(8)$ mit je acht Leitungen mit dem
+\emph{Odd-Even-Merge} $\operatorname{OEM(8,8)}$ zu einer sortierten
+Gesamtfolge zusammenfügen. Das resultierende Sortiernetzwerk besitzt
+73~Komparatoren (zum Vergleich: $\operatorname{BS}(16)$ benötigt
+80~Komparatoren, $\operatorname{OES}(16)$ nur 63).
+
+Verbesserungen in der Anzahl der benötigten Komparatoren beziehungsweise der
+Schichten eines „kleinen“ Sortiernetzwerks übertragen sich direkt auf das
+resultierende Gesamtnetzwerk. Das \emph{Odd-Even-Mergesort-Netzwerk}
+$\operatorname{OES}(9)$ benötigt beispielsweise 26~Komparatoren, die in in
+neun Schichten angeordnet sind. Es sind allerdings Sortiernetzwerke mit neun
+Eingängen bekannt, die lediglich 25~Komparatoren in sieben Schichten
+benötigen. Kombiniert man zwei dieser Netzwerke mit dem
+\emph{Odd-Even-Mischer} erhält man ein Sortiernetzwerk mit 18~Eingängen, das
+80~Komparatoren in 11~Schichten benötigt -- $\operatorname{OES}(18)$ benötigt
+82~Komparatoren in 13~Schichten. Damit ist das resultierende Netzwerk so
+schnell wie das Sortiernetzwerk mit 18~Eingängen, das \textit{Baddar} und
+\textit{Batcher} in ihrer Arbeit „An 11-Step Sorting Network for 18~Elements“
+vorstellen, benötigt aber 6~Komparatoren weniger.
+
+% 9 9
+% 9 18
+% 9 27
+% 9 36
+% 9 45
+% 8 53
+% 8 61
+% 7 68
+% 7 75
+% 6 81
+% 5 86
+
+Das Zusammenfassen von zwei Sortiernetzwerken durch Hintereinanderausführung
+ist nicht sinnvoll: Da die Ausgabe des ersten Sortiernetzwerks bereits
+sortiert ist, ist das zweite Sortiernetzwerk überflüssig. Eine
+Aneinanderreihung der Art „die ersten $x$~Schichten des einen, dann die
+letzten $y$~Schichten des anderen Sortiernetzwerks“ zerstören im Allgemeinen
+die Sortiereigenschaft. Die Sortiereigenschaft des resultierenden
+Komparatornetzwerks müsste überprüft werden, was nach heutigem Wissensstand
+nur mit exponentiellem Aufwand möglich ist.
+
+%\begin{itemize}
+%\item Mit dem Bitonic-Merge
+%\item Mit dem Odd-Even-Merge
+%\item Nach dem Pairwise sorting-network Schema.
+%\end{itemize}
\subsection{Leitungen entfernen}\label{sect:leitungen_entfernen}
Sortiernetzwerk mit $n$~Eingängen erhalten müssen.
Man kann ein gegebenes Sortiernetzwerk mit $n$~Eingängen auf ein
-Sortiernetzwerk mit $(n-1)$~Leitungen verkleinern, indem man eine Leitung
+Sortiernetzwerk mit ${n-1}$~Leitungen verkleinern, indem man eine Leitung
„eliminiert“. Dazu nehmen wir an, dass das Minimum oder das Maximum an einem
bestimmten Eingang anliegt. Der Weg, den das Minimum beziehungsweise das Maxim
durch das Sortiernetzwerk nimmt, ist eindeutig bestimmt und endet an einem der
\subfigure[bar]{\input{images/oe-transposition-cut1.tex}\label{fig:oe-transposition-cut1}}
\subfigure[baz]{\input{images/oe-transposition-cut2.tex}\label{fig:oe-transposition-cut2}}
\subfigure[qux]{\input{images/oe-transposition-cut3.tex}\label{fig:oe-transposition-cut3}}
- \caption{Eine Leitung wird aus dem {\em Odd-Even-Transpositionsort} Netzwerk
- $\textrm{OET}(8)$ entfernt: Auf der rot markierten Leitung wird $\infty$
- angelegt. Da der Wert bei jedem Komparator am unteren Ende herauskommt, ist
- der Pfad fest vorgegeben. Da die restlichen Werte trotzdem noch richtig
- sortiert werden müssen, kann dieser Pfad herausgetrennt werden. In der
- letzten Abbildung ist $\textrm{OET}(7)$ markiert.}
+ \caption{Eine Leitung wird aus dem
+ \emph{Odd-Even-Transpositionsort}-Netzwerk $\operatorname{OET}(8)$ entfernt:
+ Auf der rot markierten Leitung wird $\infty$ angelegt. Da der Wert bei jedem
+ Komparator am unteren Ende herauskommt, ist der Pfad fest vorgegeben. Da die
+ restlichen Werte trotzdem noch richtig sortiert werden müssen, kann dieser
+ Pfad herausgetrennt werden. In der letzten Abbildung ist
+ $\operatorname{OET}(7)$ markiert.}
+ \label{fig:oe-transposition-cut}
\end{figure}
Im nächsten Schritt werden alle beteiligten Komparatoren gelöscht bzw.
Weise einen Sortiernetzwerk mit $2n$~Eingängen wieder auf ein Sortiernetzwerk
mit $n$~Eingängen reduzieren.
+\subsubsection{Der \textsc{SN-Evolution-Cut}-Algorithmus}
+
Bei einem Sortiernetzwerk mit $n$~Eingängen gibt es $2n$~Möglichkeiten eine
Leitung zu entfernen: Auf jeder der $n$~Leitungen kann sowohl das Minimum als
auch das Maximum angenommen werden. Wendet man das Verfahren iterativ an, um
auf einen neuen Wert $l$ mit $0 \leqq l \le n-i$ oder invertiert die
Schnitt-Richtung.
-In ihrer Arbeit \textit{“Improving Bitonic Sorting by Wire Elimination”}
-zeigen \textit{Moritz Mühlenthaler} und \textit{Rolf Wanka}, wie man einen
-bitonen Mischer, der nach Batchers Methode konstruiert wurde, durch
-systematisches Entfernen von Leitungen in einen ebenfalls bitonen Mischer mit
-der Hälfte der Leitungen transformiert. Diese alternativen Mischer sparen im
-Vergleich zu den Mischern, die nach Batchers Methode konstruiert werden,
-Komparatoren ein.
+In \cite{MW2010} zeigen \textit{Moritz Mühlenthaler} und \textit{Rolf Wanka},
+wie man einen bitonen Mischer, der nach Batchers Methode konstruiert wurde,
+durch systematisches Entfernen von Leitungen in einen ebenfalls bitonen
+Mischer mit der Hälfte der Leitungen transformiert. Diese alternativen Mischer
+sparen im Vergleich zu den Mischern, die nach Batchers Methode konstruiert
+werden, Komparatoren ein.
Beispeilsweise geben \textit{Mühlenthaler} und \textit{Wanka} ein
Sortiernetzwerk mit 16~Eingängen an, das mithilfe der alternativen Mischer
16-Sortiernetzwerk, das auf diese Weise generiert wurde, ist in
Abbildung~\ref{fig:16-ec-1277186619} zu sehen.
+\begin{figure}
+ \begin{center}
+ \input{images/16-ec-from-ps32.tex}
+ \end{center}
+ \caption{Sortiernetzwerk mit 16~Leitungen und 63~Komparatoren in
+ 10~Schichten. Das Netzwerk wurde von dem Algorithmus
+ \textsc{SN-Evolution-Cut} aus dem \emph{Pairwise-Sorting-Netzwerk}
+ $\operatorname{PS}(32)$ durch 16~Schnitte erzeugt.}
+ \label{fig:16-ec-from-ps32}
+\end{figure}
+
+Betrachtet man das Sortiernetzwerk in Abbildung~\ref{fig:16-ec-1277186619}, so
+ist keine Ähnlichkeit zu $\operatorname{BS}(32)$ oder $\operatorname{BS}(16)$
+erkennbar -- insbesondere die ersten Schichten des Netzwerks scheinen rein
+zufällig zu sein. Dies ist jedoch kein Eigenschaft des Algorithmus, sondern
+hängt insbesondere von der Eingaben. Wird \textsc{SN-Evolution-Cut}
+beispielsweise mit dem \emph{Odd-Even-Transpositionsort-Netzwerk}
+$\operatorname{OET}(n)$ und $m$~Schnitten gestartet, so ist das beste Ergebnis
+immer das $\operatorname{OET}(n-m)$-Netzwerk.
+
+Anders verhält sich das \emph{Pairwise-Sorting-Netzwerk}
+$\operatorname{PS}(n)$, das \textit{Ian Parberry} in seiner Arbeit „The
+Pairwise Sorting Network“ definiert. Startet man \textsc{SN-Evolution-Cut} mit
+$\operatorname{PS}(32)$ und der Vorgabe, 16~Leitungen zu entfernen, erhält man
+ein Sortiernetzwerk, dass die gleiche Anzahl an Komparatoren und Schichten hat
+wie $\operatorname{PS}(16)$ und $\operatorname{OES}(16)$. Der Algorithmus gibt
+auch nach zahlreichen Versuchen nur eines von zwei Sortiernetzwerken zurück,
+die beide sehr symmetrisch sind und eine saubere Struktur aufweisen. Eines der
+beiden Sortiernetzwerke ist in Abbildung~\ref{fig:16-ec-from-ps32}
+dargestellt, das andere Sortiernetzwerk unterscheidet sich lediglich dadurch,
+dass die zweite und dritte Schicht vertauscht sind.
+
+Obwohl das \emph{Pairwise-Sorting-Netzwerk} den \emph{Odd-Even-Mischer} nicht
+einsetzt und auch nicht auf einem Mischer basiert, ist der
+$\operatorname{OEM}(8,8)$ im Sortiernetzwerk in
+Abbildung~\ref{fig:16-ec-from-ps32} eindeutig erkennbar (Schichten~7--10). In
+den Schichten~1--6 erkennt man zwei unabhängige Sortiernetzerke, die
+strukturell identisch zu $\operatorname{PS}(8)$ sind -- die Schichten~1 und~2
+sowie 4~und~5 sind vertauscht, was jeweils zum selben Ergebnis nach dem
+Schichtenpaar führt.
+
+Wendet man \textsc{SN-Evolution-Cut} auf $\operatorname{PS}(16)$ an, so kann
+man $\operatorname{OES}(8)$ erhalten.
+
\begin{itemize}
\item Beispiel: Moritz und Rolfs Optimierung für Bitonic-Sort.
\item Wie gut kann man durch wegschneiden werden?
\item Abschnitt „Optimierung der Schnitte“ hier einbauen.
\end{itemize}
-\section{Der evolutionäre Ansatz}
+\section{Der \textsc{SN-Evolution}-Algorithmus}
Um einen evolutionären Algorithmus für Sortiernetzwerke zu entwickeln, werden
die vorgestellten Methoden kombiniert.
Das würde mir noch einfallen$\ldots$
-%\bibliography{references}
-%\bibliographystyle{plain}
+\bibliography{references}
+\bibliographystyle{plain}
%\listoffigures
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