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[loba-papers.git] / loba-besteffort / loba-besteffort.tex
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14
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16 \newcommand{\FIXMEmargin}[1]{%
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18 \newcommand{\FIXME}[2][]{%
19   \ifx #2\relax\relax \FIXMEmargin{#1}%
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21
22 \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} % \abs{x} -> |x|
23
24 \newenvironment{algodata}{%
25   \begin{tabular}[t]{@{}l@{:~}l@{}}}{%
26   \end{tabular}}
27
28 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
29
30 \newcommand{\besteffort}{\emph{best effort}}
31 \newcommand{\makhoul}{\emph{Makhoul}}
32
33 \begin{document}
34
35 \begin{frontmatter}
36
37 \journal{Parallel Computing}
38
39 \title{Best effort strategy and virtual load for\\
40   asynchronous iterative load balancing}
41
42 \author{Raphaël Couturier}
43 \ead{raphael.couturier@femto-st.fr}
44
45 \author{Arnaud Giersch\corref{cor}}
46 \ead{arnaud.giersch@femto-st.fr}
47
48 \address{%
49   Institut FEMTO-ST (UMR 6174),
50   Université de Franche-Comté (UFC),
51   Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS),
52   École Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques (ENSMM),
53   Université de Technologie de Belfort Montbéliard (UTBM)\\
54   19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France}
55
56 \cortext[cor]{Corresponding author.}
57
58 \begin{abstract}
59   Most of the time, asynchronous load balancing algorithms have extensively been
60   studied in a theoretical point of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
61   algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel} is certainly
62   the most well known algorithm for which the convergence proof is given. From a
63   practical point of view, when a node wants to balance a part of its load to
64   some of its neighbors, the strategy is not described.  In this paper, we
65   propose a strategy called \besteffort{} which tries to balance the load
66   of a node to all its less loaded neighbors while ensuring that all the nodes
67   concerned by the load balancing phase have the same amount of load.  Moreover,
68   asynchronous iterative algorithms in which an asynchronous load balancing
69   algorithm is implemented most of the time can dissociate messages concerning
70   load transfers and message concerning load information.  In order to increase
71   the converge of a load balancing algorithm, we propose a simple heuristic
72   called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
73   information message to integrate the load that it will receive later in its
74   load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of
75   its neighbors.  In order to validate our approaches, we have defined a
76   simulator based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
77 \end{abstract}
78
79 % \begin{keywords}
80 %   %% keywords here, in the form: keyword \sep keyword
81 % \end{keywords}
82
83 \end{frontmatter}
84
85 \section{Introduction}
86
87 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
88 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
89 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
90 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
91 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
92 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
93 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
94 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
95 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
96 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
97 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
98 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
99 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
100 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
101 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
102 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
103 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
104 version working with integer load.  This work was later generalized by
105 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
106 \FIXME{Rajouter des choses ici.  Lesquelles ?}
107
108 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
109 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
110 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
111 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
112 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \besteffort{}
113 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
114 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
115 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
116 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
117 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
118 from  data  migration  messages.  Former  ones  allows  a  node to  inform  its
119 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
120 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
121 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
122 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
123 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
124 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
125 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
126 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
127 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
128 it can take this information into account  and it can consider that its new load
129 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
130 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
131
132
133
134 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
135 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
136 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
137 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
138 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
139 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
140 message also varies.
141
142 In the following of this paper, Section~\ref{sec.bt-algo} describes the
143 Bertsekas and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm. Moreover, we
144 present a possible problem in the convergence conditions.
145 Section~\ref{sec.besteffort} presents the best effort strategy which provides an
146 efficient way to reduce the execution times.  This strategy will be compared
147 with other ones, presented in Section~\ref{sec.other}.  In
148 Section~\ref{sec.virtual-load}, the virtual load mechanism is proposed.
149 Simulations allowed to show that both our approaches are valid using a quite
150 realistic model detailed in Section~\ref{sec.simulations}.  Finally we give a
151 conclusion and some perspectives to this work.
152
153
154
155 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
156 \label{sec.bt-algo}
157
158 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
159 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
160 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
161 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
162 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
163 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
164 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
165 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
166 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
167 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
168 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
169 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
170 consider that the load is described by a continuous variable.
171
172 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
173 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
174 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
175 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
176 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
177 \begin{equation}
178 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
179 \label{eq.ping-pong}
180 \end{equation}
181
182
183 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
184 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
185 \begin{equation}
186 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
187 \end{equation}
188 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
189 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
190 less loaded after that.
191
192 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
193 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
194 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
195 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
196 \begin{eqnarray*}
197 x_1(t)=10   \\
198 x_2(t)=100   \\
199 x_3(t)=99.99\\
200  x_3^2(t)=99.99\\
201 \end{eqnarray*}
202 In this case, processor $2$ can either sends load to processor $1$ or processor
203 $3$.  If it sends load to processor $1$ it will not satisfy condition
204 (\ref{eq.ping-pong}) because after the sending it will be less loaded that
205 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
206 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
207 condition or with a weaker condition.
208
209 Nevertheless, we conjecture that such a weaker condition exists.  In fact, we
210 have never seen any scenario that is not leading to convergence, even with
211 load-balancing strategies that are not exactly fulfilling these two conditions.
212
213 It may be the subject of future work to express weaker conditions, and to prove
214 that they are sufficient to ensure the convergence of the load-balancing
215 algorithm.
216
217 \section{Best effort strategy}
218 \label{sec.besteffort}
219
220 In this section we describe a new load-balancing strategy that we call
221 \besteffort{}.  First, we explain the general idea behind this strategy,
222 and then we describe some variants of this basic strategy.
223
224 \subsection{Basic strategy}
225
226 The general idea behind the \besteffort{} strategy is that each processor,
227 that detects it has more load than some of its neighbors, sends some load to the
228 most of its less loaded neighbors, doing its best to reach the equilibrium
229 between those neighbors and himself.
230
231 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
232 he proceeds as following.
233 \begin{enumerate}
234 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
235   known loads $x^i_j(t)$.
236
237 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
238   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
239   \begin{itemize}
240   \item the processor's own load, and
241   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
242     processor's load.
243   \end{itemize}
244   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
245   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
246   the processor load:
247   \begin{equation*}
248     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
249       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
250   \end{equation*}
251   The following properties hold:
252   \begin{equation*}
253     \begin{cases}
254       S_i(t) \subset V(i) \\
255       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
256       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
257       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
258       \bar{x} \leq x_i(t)
259     \end{cases}
260   \end{equation*}
261
262 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
263   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
264   \bar{x} - x^i_j(t)$.
265
266   From the above equations, and notably from the definition of
267   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
268   \begin{equation*}
269     \begin{cases}
270       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
271       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
272     \end{cases}
273   \end{equation*}
274 \end{enumerate}
275
276 \subsection{Leveling the amount to send}
277
278 With the aforementioned basic strategy, each node does its best to reach the
279 equilibrium with its neighbors.  Since each node may be taking the same kind of
280 decision at the same moment, there is the risk that a node receives load from
281 several of its neighbors, and then is temporary going off the equilibrium state.
282 This is particularly true with strongly connected applications.
283
284 In order to reduce this effect, we add the ability to level the amount to send.
285 The idea, here, is to make smaller steps toward the equilibrium, such that a
286 potentially wrong decision has a lower impact.
287
288 Concretely, once $s_{ij}$ has been evaluated as before, it is simply divided by
289 some configurable factor.  That's what we named the ``parameter $k$'' in
290 Section~\ref{sec.results}.  The amount of data to send is then $s_{ij}(t) =
291 (\bar{x} - x^i_j(t))/k$.
292 \FIXME[check that it's still named $k$ in Sec.~\ref{sec.results}]{}
293
294 \section{Other strategies}
295 \label{sec.other}
296
297 Another load balancing strategy, working under the same conditions, was
298 previously developed by Bahi, Giersch, and Makhoul in
299 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.  In order to assess the performances
300 of the new \besteffort{}, we naturally chose to compare it to this anterior
301 work.  More precisely, we will use the algorithm~2 from
302 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable} and, in the following, we will
303 reference it under the name of Makhoul's.
304
305 Here is an outline of the Makhoul's algorithm.  When a given node needs to take
306 a load balancing decision, it starts by sorting its neighbors by increasing
307 order of their load.  Then, it computes the difference between its own load, and
308 the load of each of its neighbors.  Finally, taking the neighbors following the
309 order defined before, the amount of load to send $s_{ij}$ is computed as
310 $1/(N+1)$ of the load difference, with $N$ being the number of neighbors.  This
311 process continues as long as the node is more loaded than the considered
312 neighbor.
313
314
315 \section{Virtual load}
316 \label{sec.virtual-load}
317
318 In this section,  we present the concept of \emph{virtual load}.  In order to
319 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
320 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
321 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
322 can first send  a load information message containing the load  it will send and
323 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
324 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
325 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
326 require more time to be transferred.
327
328 The  concept  of  \emph{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
329 information message to integrate the load that it will receive later in its load
330 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
331 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
332 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
333 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
334 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
335 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
336 balancing message.
337
338 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
339 information of the load they will receive, so they can take in into account.
340
341 \FIXME{Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?}
342
343 \FIXME{describe integer mode}
344
345 \section{Simulations}
346 \label{sec.simulations}
347
348 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
349 using the SimGrid
350 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
351 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
352 the different load-balancing strategies under various parameters, such
353 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
354 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
355 are issued that permit to compare the strategies.
356
357 The simulation model is detailed in the next section (\ref{sec.model}), and the
358 experimental contexts are described in section~\ref{sec.exp-context}.  Then the
359 results of the simulations are presented in section~\ref{sec.results}.
360
361 \subsection{Simulation model}
362 \label{sec.model}
363
364 In the simulation model the processors exchange messages which are of
365 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
366 information that is exchanged between the processors, such as the
367 current load, or the virtual load transfers if this option is
368 selected.  These messages are rather small, and their size is
369 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
370 load transferred between the processors.  The size of a data message
371 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
372 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
373 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
374 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
375 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
376   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
377
378 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
379 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
380 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
381
382 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
383 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
384 actual source code that was used for the experiments%
385 \footnote{As mentioned before, our simulator relies on the SimGrid
386   framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  For the
387   experiments, we used a pre-release of SimGrid 3.7 (Git commit
388   67d62fca5bdee96f590c942b50021cdde5ce0c07, available from
389   \url{https://gforge.inria.fr/scm/?group_id=12})}, and which is
390 available at
391 \url{http://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/staff/giersch/software/loba.tar.gz}.
392
393 \subsubsection{Receiving thread}
394
395 The receiving thread is in charge of waiting for messages to come, either on the
396 control channel, or on the data channel.  Its behavior is sketched by
397 Algorithm~\ref{algo.recv}.  When a message is received, it is pushed in a buffer
398 of received message, to be later consumed by one of the other threads.  There
399 are two such buffers, one for the control messages, and one for the data
400 messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
401 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
402
403 \begin{algorithm}
404   \caption{Receiving thread}
405   \label{algo.recv}
406   \KwData{
407     \begin{algodata}
408       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
409       & communication channels (control and data) \\
410       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
411       & buffers of received messages (control and data) \\
412     \end{algodata}}
413   \While{true}{%
414     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
415     or \VAR{data\_chan}\;
416     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
417       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
418     }
419     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
420       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
421     }
422   }
423 \end{algorithm}
424
425 \subsubsection{Computing thread}
426
427 The computing thread is in charge of the real load management.  As exposed in
428 Algorithm~\ref{algo.comp}, it iteratively runs the following operations:
429 \begin{itemize}
430 \item if some load was received from the neighbors, get it;
431 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
432 \item run some computation, whose duration is function of the current
433   load of the processor.
434 \end{itemize}
435 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
436 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
437 example, when the current load is near zero).
438
439 \begin{algorithm}
440   \caption{Computing thread}
441   \label{algo.comp}
442   \KwData{
443     \begin{algodata}
444       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
445       \VAR{real\_load} & current load \\
446     \end{algodata}}
447   \While{true}{%
448     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
449       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
450     }
451     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
452       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
453       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
454     }
455     \ForEach{neighbor $n$}{%
456       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
457         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
458       }
459     }
460     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
461       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
462       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
463     }
464   }
465 \end{algorithm}
466
467 \subsubsection{Load-balancing thread}
468
469 The load-balancing thread is in charge of running the load-balancing algorithm,
470 and exchange the control messages.  As shown in Algorithm~\ref{algo.lb}, it
471 iteratively runs the following operations:
472 \begin{itemize}
473 \item get the control messages that were received from the neighbors;
474 \item run the load-balancing algorithm;
475 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
476   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
477 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
478   iterate too fast.
479 \end{itemize}
480
481 \begin{algorithm}
482   \caption{Load-balancing}
483   \label{algo.lb}
484   \While{true}{%
485     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
486       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
487       identify the sender of the message,
488       and update the current knowledge of its load\;
489     }
490     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
491     \ForEach{neighbor $n$}{%
492       send a control messages to $n$\;
493     }
494     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
495   }
496 \end{algorithm}
497
498 \paragraph{}\FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?
499   par ex, donner l'idée générale de l'implémentation.  l'idée générale est déja
500   décrite en section~\ref{sec.virtual-load}}
501
502 \subsection{Experimental contexts}
503 \label{sec.exp-context}
504
505 In order to assess the performances of our algorithms, we ran our
506 simulator with various parameters, and extracted several metrics, that
507 we will describe in this section.
508
509 \subsubsection{Load balancing strategies}
510
511 Several load balancing strategies were compared.  We ran the experiments with
512 the \besteffort{}, and with the \makhoul{} strategies.  \emph{Best
513   effort} was tested with parameter $k = 1$, $k = 2$, and $k = 4$.  Secondly,
514 each strategy was run in its two variants: with, and without the management of
515 \emph{virtual load}.  Finally, we tested each configuration with \emph{real},
516 and with \emph{integer} load.
517
518 To summarize the different load balancing strategies, we have:
519 \begin{description}
520 \item[\textbf{strategies:}] \makhoul{}, or \besteffort{} with $k\in
521   \{1,2,4\}$
522 \item[\textbf{variants:}] with, or without virtual load
523 \item[\textbf{domain:}] real load, or integer load
524 \end{description}
525 %
526 This gives us as many as $4\times 2\times 2 = 16$ different strategies.
527
528 \subsubsection{End of the simulation}
529
530 The simulations were run until the load was nearly balanced among the
531 participating nodes.  More precisely the simulation stops when each node holds
532 an amount of load at less than 1\% of the load average, during an arbitrary
533 number of computing iterations (2000 in our case).
534
535 Note that this convergence detection was implemented in a centralized manner.
536 This is easy to do within the simulator, but it's obviously not realistic.  In a
537 real application we would have chosen a decentralized convergence detection
538 algorithm, like the one described by Bahi, Contassot-Vivier, Couturier, and
539 Vernier in \cite{10.1109/TPDS.2005.2}.
540
541 \subsubsection{Platforms}
542
543 In order to show the behavior of the different strategies in different
544 settings, we simulated the executions on two sorts of platforms.  These two
545 sorts of platforms differ by their underlaid network topology.  On the one hand,
546 we have homogeneous platforms, modeled as a cluster.  On the other hand, we have
547 heterogeneous platforms, modeled as the interconnection of a number of clusters.
548
549 The clusters were modeled by a fixed number of computing nodes interconnected
550 through a backbone link.  Each computing node has a computing power of
551 1~GFlop/s, and is connected to the backbone by a network link whose bandwidth is
552 of 125~MB/s, with a latency of 50~$\mu$s.  The backbone has a network bandwidth
553 of 2.25~GB/s, with a latency of 500~$\mu$s.
554
555 The heterogeneous platform descriptions were created by taking a subset of the
556 Grid'5000 infrastructure\footnote{Grid'5000 is a French large scale experimental
557   Grid (see \url{https://www.grid5000.fr/}).}, as described in the platform file
558 \texttt{g5k.xml} distributed with SimGrid.  Note that the heterogeneity of the
559 platform here only comes from the network topology.  Indeed, since our
560 algorithms currently do not handle heterogeneous computing resources, the
561 processor speeds were normalized, and we arbitrarily chose to fix them to
562 1~GFlop/s.
563
564 Then we derived each sort of platform with four different number of computing
565 nodes: 16, 64, 256, and 1024 nodes.
566
567 \subsubsection{Configurations}
568
569 The distributed processes of the application were then logically organized along
570 three possible topologies: a line, a torus or an hypercube.  We ran tests where
571 the total load was initially on an only node (at one end for the line topology),
572 and other tests where the load was initially randomly distributed across all the
573 participating nodes.  The total amount of load was fixed to a number of load
574 units equal to 1000 times the number of node.  The average load is then of 1000
575 load units.
576
577 For each of the preceding configuration, we finally had to choose the
578 computation and communication costs of a load unit.  We chose them, such as to
579 have three different computation over communication cost ratios, and hence model
580 three different kinds of applications:
581 \begin{itemize}
582 \item mainly communicating, with a computation/communication cost ratio of $1/10$;
583 \item mainly computing, with a computation/communication cost ratio of $10/1$ ;
584 \item balanced, with a computation/communication cost ratio of $1/1$.
585 \end{itemize}
586
587 To summarize the various configurations, we have:
588 \begin{description}
589 \item[\textbf{platforms:}] homogeneous (cluster), or heterogeneous (subset of
590   Grid'5000)
591 \item[\textbf{platform sizes:}] platforms with 16, 64, 256, or 1024 nodes
592 \item[\textbf{process topologies:}] line, torus, or hypercube
593 \item[\textbf{initial load distribution:}] initially on a only node, or
594   initially randomly distributed over all nodes
595 \item[\textbf{computation/communication cost ratio:}] $10/1$, $1/1$, or $1/10$
596 \end{description}
597 %
598 This gives us as many as $2\times 4\times 3\times 2\times 3 = 144$ different
599 configurations.
600 %
601 Combined with the various load balancing strategies, we had $16\times 144 =
602 2304$ distinct settings to evaluate.  In fact, as it will be shown later, we
603 didn't run all the strategies, nor all the configurations for the bigger
604 platforms with 1024 nodes, since to simulations would have run for a too long
605 time.
606
607 Anyway, all these the experiments represent more than 240 hours of computing
608 time.
609
610 \subsubsection{Metrics}
611 \label{sec.metrics}
612
613 In order to evaluate and compare the different load balancing strategies we had
614 to define several metrics.  Our goal, when choosing these metrics, was to have
615 something tending to a constant value, i.e. to have a measure which is not
616 changing anymore once the convergence state is reached.  Moreover, we wanted to
617 have some normalized value, in order to be able to compare them across different
618 settings.
619
620 With these constraints in mind, we defined the following metrics:
621 %
622 \begin{description}
623 \item[\textbf{average idle time:}] that's the total time spent, when the nodes
624   don't hold any share of load, and thus have nothing to compute.  This total
625   time is divided by the number of participating nodes, such as to have a number
626   that can be compared between simulations of different sizes.
627
628   This metric is expected to give an idea of the ability of the strategy to
629   diffuse the load quickly.  A smaller value is better.
630
631 \item[\textbf{average convergence date:}] that's the average of the dates when
632   all nodes reached the convergence state.  The dates are measured as a number
633   of (simulated) seconds since the beginning of the simulation.
634
635 \item[\textbf{maximum convergence date:}] that's the date when the last node
636   reached the convergence state.
637
638   These two dates give an idea of the time needed by the strategy to reach the
639   equilibrium state.  A smaller value is better.
640
641 \item[\textbf{data transfer amount:}] that's the sum of the amount of all data
642   transfers during the simulation.  This sum is then normalized by dividing it
643   by the total amount of data present in the system.
644
645   This metric is expected to give an idea of the efficiency of the strategy in
646   terms of data movements, i.e. its ability to reach the equilibrium with fewer
647   transfers.  Again, a smaller value is better.
648
649 \end{description}
650
651
652 \subsection{Experimental results}
653 \label{sec.results}
654
655 In this section, the results for the different simulations will be presented,
656 and we will try to explain our observations.
657
658 \subsubsection{Cluster vs grid platforms}
659
660 As mentioned earlier, we simulated the different algorithms on two kinds of
661 physical platforms: clusters and grids.  A first observation that we can make,
662 is that the graphs we draw from the data have a similar aspect for the two kinds
663 of platforms.  The only noticeable difference is that the algorithms need a bit
664 more time to achieve the convergence on the grid platforms, than on clusters.
665 Nevertheless their relative performances remain generally identical.
666
667 This suggests that the relative performances of the different strategies are not
668 influenced by the characteristics of the physical platform.  The differences in
669 the convergence times can be explained by the fact that on the grid platforms,
670 distant sites are interconnected by links of smaller bandwidth.
671
672 Therefore, in the following, we'll only discuss the results for the grid
673 platforms.
674
675 \subsubsection{Main results}
676
677 \begin{figure*}[p]
678   \centering
679   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-line}%
680   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-line}
681   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-torus}%
682   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-torus}
683   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-hcube}%
684   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-hcube}
685   \caption{Real mode, initially on an only mode, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
686   \label{fig.results1}
687 \end{figure*}
688
689 \begin{figure*}[p]
690   \centering
691   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-line}%
692   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-line}
693   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-torus}%
694   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-torus}
695   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-hcube}%
696   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-hcube}
697   \caption{Real mode, random initial distribution, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
698   \label{fig.resultsN}
699 \end{figure*}
700
701 The main results for our simulations on grid platforms are presented on the
702 figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}.
703 %
704 The results on figure~\ref{fig.results1} are when the load to balance is
705 initially on an only node, while the results on figure~\ref{fig.resultsN} are
706 when the load to balance is initially randomly distributed over all nodes.
707
708 On both figures, the computation/communication cost ratio is $10/1$ on the left
709 column, and $1/10$ on the right column.  With a computation/communication cost
710 ratio of $1/1$ the results are just between these two extrema, and definitely
711 don't give additional information, so we chose not to show them here.
712
713 On each of the figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}, the results
714 are given for the process topology being, from top to bottom, a line, a torus or
715 an hypercube.
716
717 Finally, on the graphs, the vertical bars show the measured times for each of
718 the algorithms.  These measured times are, from bottom to top, the average idle
719 time, the average convergence date, and the maximum convergence date (see
720 Section~\ref{sec.metrics}).  The measurements are repeated for the different
721 platform sizes.  Some bars are missing, specially for large platforms.  This is
722 either because the algorithm did not reach the convergence state in the
723 allocated time, or because we simply decided not to run it.
724
725 \FIXME{annoncer le plan de la suite}
726
727 \subsubsection{The \besteffort{} and  \makhoul{} strategies without virtual load}
728
729 Before looking  at the different variations,  we will first show  that the plain
730 \besteffort{}  strategy  is valuable,  and  may be  as  good  as the  \makhoul{}
731 strategy.  On  Figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN},
732 these strategies are respectively labeled ``b'' and ``a''.
733
734 We  can  see  that  the  relative  performance of  these  strategies  is  mainly
735 influenced by  the application topology.  It  is for the line  topology that the
736 difference is the  more important.  In this case,  the \besteffort{} strategy is
737 nearly faster than the \makhoul{} strategy.  This can  be explained by the
738 fact that the \besteffort{} strategy tries to distribute the load fairly between
739 all the nodes  and with the line topology,  it is easy to load  balance the load
740 fairly.
741
742 On the contrary, for the hypercube topology, the \besteffort{} strategy performs
743 worse than the \makhoul{} strategy. In this case, the \makhoul{} strategy which
744 tries to give more load to few neighbors reaches the equilibrium faster.
745
746 For the torus  topology, for which the  number of links is between  the line and
747 the hypercube, the \makhoul{} strategy  is slightly better but the difference is
748 more nuanced when the initial load is  only on one node. The only case where the
749 \makhoul{} strategy is really faster than the \besteffort{} strategy is with the
750 random initial distribution when the communication are slow.
751
752 Globally   the  number  of   interconnection  is   very  important.    The  more
753 the interconnection links are, the  faster the \makhoul{} strategy is because
754 it distributes quickly significant amount of load, even if this is unfair, between
755 all the  neighbors.  In opposition,  the \besteffort{} strategy  distributes the
756 load fairly so this strategy is better for low connected strategy.
757
758
759 \subsubsection{Virtual load}
760
761 The influence of virtual load is most of the time really significant compared to
762 the  same configuration  without  it. Sometimes  it  has no  effect  but {\bf  A
763   VERIFIER} it has never a negative effect on the load balancing we tested.
764
765 On Figure~\ref{fig.results1}, when the load is  initially on one node, it can be
766 noticed that the  average idle times are generally longer  with the virtual load
767 than without  it. This  can be explained  by the  fact that, with  virtual load,
768 processors  will exchange all  the load  they need  to exchange  as soon  as the
769 virtual load has been balanced  between all the processors. So consequently they
770 cannot  compute  at  the  beginning.  This is  especially  noticeable  when  the
771 communication are slow (on the left part of Figure ~\ref{fig.results1}.
772
773 %Dans ce cas  légère amélioration de la cvg. max.  Temps  moyen de cvg. amélioré,
774 %mais plus de temps passé en idle, surtout quand les comms coutent cher.
775
776 %\subsubsection{The \besteffort{} strategy with an initial random load
777 %  distribution, and larger platforms}
778
779 %In 
780 %Mêmes conclusions pour line et hcube.
781 %Sur tore, BE se fait exploser quand les comms coutent cher.
782
783 %\FIXME{virer les 1024 ?}
784
785 %\subsubsection{With the virtual load extension with an initial random load
786 %  distribution}
787
788 %Soit c'est équivalent, soit on gagne -> surtout quand les comms coutent cher et
789 %qu'il y a beaucoup de voisins.
790
791 \subsubsection{The $k$ parameter}
792 \label{results-k}
793
794 As  explained  previously when  the  communication  are  slow the  \besteffort{}
795 strategy is efficient. This is due to the fact that it tries to balance the load
796 fairly and consequently  a significant amount of the  load is transfered between
797 processors.  In this situation, it is possible to reduce the convergence time by
798 using  the leveler  parameter  (parameter  $k$).  The  advantage  of using  this
799 solution is particularly efficient when the initial load is randomly distributed
800 on  the nodes with  torus and  hypercube topology  and slow  communication. When
801 virtual load  mechanism is used,  the effect of  this parameter is  also visible
802 with the same condition.
803
804
805
806 \subsubsection{With integer load}
807
808 We also performed  some experiments with integer load instead  of load with real
809 value.  In  this case, the  results have globally  the same behavior.   The most
810 intereting  result, from  our point  of view,  is that  the virtual  mode allows
811 processors in a line topology to converge to the uniform load balancing. Without
812 the virtual  load, most  of the time,  processors converge  to what we  call the
813 ``stairway effect'', that  is to say that  there is only a difference  of one in
814 the load of each processor and its neighbors (for example with 10 processors, we
815 obtain 10 9 8 7 6 6 7 8 9 10 instead of 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8).
816
817 %Cas normal, ligne -> converge pas (effet d'escalier).
818 %Avec vload, ça converge.
819
820 %Dans les autres cas, résultats similaires au cas réel: redire que vload est
821 %intéressant.
822
823 \FIXME{ajouter une courbe avec l'équilibrage en entier}
824
825 \FIXME{virer la metrique volume de comms}
826
827 \FIXME{ajouter une courbe ou on voit l'évolution de la charge en fonction du
828   temps : avec et sans vload}
829
830 % \begin{itemize}
831 % \item cluster ou grid, entier ou réel, ne font pas de grosses différences
832 % \item bookkeeping? améliore souvent les choses, parfois au prix d'un retard au démarrage
833 % \item makhoul? se fait battre sur les grosses plateformes
834 % \item taille de plateforme?
835 % \item ratio comp/comm?
836 % \item option $k$? peut-être intéressant sur des plateformes fortement interconnectées (hypercube)
837 % \item volume de comm? souvent, besteffort/plain en fait plus. pourquoi?
838 % \item répartition initiale de la charge ?
839 % \item integer mode sur topo. line n'a jamais fini en plain? vérifier si ce n'est
840 %   pas à cause de l'effet d'escalier que bk est capable de gommer.
841 % \end{itemize}}
842
843 % On veut montrer quoi ? :
844
845 % 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
846 % 2) avantage virtual load
847
848 % Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
849 % Topologies variées
850
851
852 % Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
853 % Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
854
855 % Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
856
857 % Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
858
859 % Cadre processeurs homogènes
860
861 % Topologies statiques
862
863 % On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
864
865 % Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
866
867 % Taille : 10 100 très gros
868
869 \section{Conclusion and perspectives}
870
871 \FIXME{conclude!}
872
873 \section*{Acknowledgments}
874
875 Computations have been performed on the supercomputer facilities of the
876 Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
877
878 \bibliographystyle{elsarticle-num}
879 \bibliography{biblio}
880 \FIXME{find and add more references}
881
882 \end{document}
883
884 %%% Local Variables:
885 %%% mode: latex
886 %%% TeX-master: t
887 %%% fill-column: 80
888 %%% ispell-local-dictionary: "american"
889 %%% End:
890
891 % LocalWords:  Raphaël Couturier Arnaud Giersch Franche ij Bertsekas Tsitsiklis
892 % LocalWords:  SimGrid DASUD Comté asynchronism ji ik isend irecv Cortés et al
893 % LocalWords:  chan ctrl fifo Makhoul GFlop xml pre FEMTO Makhoul's fca bdee
894 % LocalWords:  cdde Contassot Vivier underlaid du de Maréchal Juin cedex calcul
895 % LocalWords:  biblio Institut UMR Université UFC Centre Scientifique CNRS des
896 % LocalWords:  École Nationale Supérieure Mécanique Microtechniques ENSMM UTBM
897 % LocalWords:  Technologie Bahi