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[loba-papers.git] / supercomp11 / supercomp11.tex
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8
9 \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} % \abs{x} -> |x|
10
11 \begin{document}
12
13 \title{Best effort strategy and virtual load
14   for asynchronous iterative load balancing}
15
16 \author{Raphaël Couturier \and
17         Arnaud Giersch \and
18         Abderrahmane Sider
19 }
20
21 \institute{R. Couturier \and A. Giersch \at
22               LIFC, University of Franche-Comté, Belfort, France \\
23               % Tel.: +123-45-678910\\
24               % Fax: +123-45-678910\\
25               \email{%
26                 raphael.couturier@univ-fcomte.fr,
27                 arnaud.giersch@univ-fcomte.fr}
28            \and
29            A. Sider \at
30               University of Béjaïa, Béjaïa, Algeria \\
31               \email{ar.sider@univ-bejaia.dz}
32 }
33
34 \maketitle
35
36
37 \begin{abstract}
38
39 Most of the  time, asynchronous load balancing algorithms  have extensively been
40 studied in a theoretical point  of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
41 algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}
42 is certainly  the most well known  algorithm for which the  convergence proof is
43 given. From a  practical point of view, when  a node wants to balance  a part of
44 its  load to some  of its  neighbors, the  strategy is  not described.   In this
45 paper, we propose a strategy  called \emph{best effort} which tries to balance
46 the load of a node to all  its less loaded neighbors while ensuring that all the
47 nodes  concerned by  the load  balancing  phase have  the same  amount of  load.
48 Moreover,  asynchronous  iterative  algorithms  in which  an  asynchronous  load
49 balancing  algorithm is  implemented most  of the  time can  dissociate messages
50 concerning load transfers and message  concerning load information.  In order to
51 increase  the  converge of  a  load balancing  algorithm,  we  propose a  simple
52 heuristic called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
53 information message  to integrate the  load that it  will receive later  in its
54 load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of its
55 neighbors.  In order to  validate our  approaches, we  have defined  a simulator
56 based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
57
58
59 \end{abstract}
60
61 \section{Introduction}
62
63 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
64 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
65 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
66 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
67 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
68 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
69 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
70 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
71 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
72 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
73 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
74 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
75 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
76 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
77 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
78 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
79 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
80 version working with integer load.  This work was later generalized by
81 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
82 {\bf Rajouter des choses ici}.
83
84 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
85 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
86 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
87 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
88 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \emph{best effort}
89 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
90 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
91 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
92 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
93 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
94 from  data  migration  messages.  Formers  ones  allows  a  node to  inform  its
95 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
96 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
97 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
98 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
99 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
100 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
101 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
102 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
103 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
104 it can take this information into account  and it can consider that its new load
105 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
106 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
107
108
109
110 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
111 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
112 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
113 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
114 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
115 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
116 message also varies.
117
118 In the  following of this  paper, Section~\ref{BT algo} describes  the Bertsekas
119 and Tsitsiklis'  asynchronous load balancing  algorithm. Moreover, we  present a
120 possible  problem  in  the  convergence  conditions.   Section~\ref{Best-effort}
121 presents the best effort strategy which  provides an efficient way to reduce the
122 execution  times. In Section~\ref{Virtual  load}, the  virtual load  mechanism is
123 proposed. Simulations allowed to show that both our approaches are valid using a
124 quite realistic  model detailed in  Section~\ref{Simulations}. Finally we  give a
125 conclusion and some perspectives to this work.
126
127
128
129
130 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
131 \label{BT algo}
132
133 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
134 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
135 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
136 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
137 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
138 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
139 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
140 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
141 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
142 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
143 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
144 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
145 consider that the load is described by a continuous variable.
146
147 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
148 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
149 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
150 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
151 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
152 \begin{equation}
153 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
154 \label{eq:ping-pong}
155 \end{equation}
156
157
158 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
159 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
160 \begin{equation}
161 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
162 \end{equation}
163 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
164 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
165 less loaded after that.
166
167 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
168 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
169 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
170 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
171 \begin{eqnarray*}
172 x_1(t)=10   \\
173 x_2(t)=100   \\
174 x_3(t)=99.99\\
175  x_3^2(t)=99.99\\
176 \end{eqnarray*}
177 In this case, processor $2$ can  either sends load to processor $1$ or processor
178 $3$.   If  it  sends  load  to  processor $1$  it  will  not  satisfy  condition
179 (\ref{eq:ping-pong})  because  after the  sending  it  will  be less  loaded  that
180 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
181 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
182 condition or with a weaker condition.
183
184
185 \section{Best effort strategy}
186 \label{Best-effort}
187
188 In this section we  describe  a new load-balancing strategy that we call
189 \emph{best effort}.  The general idea behind this strategy is that each
190 processor, that detects it has more load than some of its neighbors, 
191 sends some load to the most of its less loaded neighbors, doing its
192 best to reach the equilibrium between those neighbors and himself.
193
194 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
195 he proceeds as following.
196 \begin{enumerate}
197 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
198   known loads $x^i_j(t)$.
199
200 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
201   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
202   \begin{itemize}
203   \item the processor's own load, and
204   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
205     processor's load.
206   \end{itemize}
207   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
208   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
209   the processor load:
210   \begin{equation*}
211     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
212       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
213   \end{equation*}
214   The following properties hold:
215   \begin{equation*}
216     \begin{cases}
217       S_i(t) \subset V(i) \\
218       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
219       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
220       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
221       \bar{x} \leq x_i(t)
222     \end{cases}
223   \end{equation*}
224
225 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
226   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
227   \bar{x} - x^i_j(t)$.
228
229   From the above equations, and notably from the definition of
230   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
231   \begin{equation*}
232     \begin{cases}
233       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
234       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
235     \end{cases}
236   \end{equation*}
237 \end{enumerate}
238
239 \section{Other strategies}
240 \label{Other}
241
242 \textbf{Question} faut-il décrire les stratégies makhoul et simple ?
243
244 \paragraph{simple} Tentative de respecter simplement les conditions de Bertsekas.
245 Parmi les voisins moins chargés que soi, on sélectionne :
246 \begin{itemize}
247 \item un des moins chargés (vmin) ;
248 \item un des plus chargés (vmax),
249 \end{itemize}
250 puis on équilibre avec vmin en s'assurant que notre charge reste
251 toujours supérieure à celle de vmin et à celle de vmax.
252
253 On envoie donc (avec "self" pour soi-même) :
254 \[
255     \min\left(\frac{load(self) - load(vmin)}{2}, load(self) - load(vmax)\right)
256 \]
257
258 \paragraph{makhoul} Ordonne les voisins du moins chargé au plus chargé
259 puis calcule les différences de charge entre soi-même et chacun des
260 voisins.
261
262 Ensuite, pour chaque voisin, dans l'ordre, et tant qu'on reste plus
263 chargé que le voisin en question, on lui envoie 1/(N+1) de la
264 différence calculée au départ, avec N le nombre de voisins.
265
266 C'est l'algorithme~2 dans~\cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.
267
268 \section{Virtual load}
269 \label{Virtual load}
270
271 In this section,  we present the concept of \texttt{virtual  load}.  In order to
272 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
273 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
274 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
275 can first send  a load information message containing the load  it will send and
276 then it  can send the load  balancing message containing data  to be transfered.
277 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
278 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
279 require more time to be transfered.
280
281 The  concept  of  \texttt{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
282 information message to integrate the load that it will receive later in its load
283 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
284 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
285 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
286 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
287 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
288 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
289 balancing message.
290
291 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
292 information of the load they will receive, so they can take in into account.
293
294 \textbf{Question} Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?
295
296 \section{Simulations}
297 \label{Simulations}
298
299 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
300 using the SimGrid
301 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
302 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
303 the different load-balancing strategies under various parameters, such
304 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
305 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
306 are issued that permit to compare the strategies.
307
308 The simulation model is detailed in the next section (\ref{Sim
309   model}), then the results of the simulations are presented in
310 section~\ref{Results}.
311
312 \subsection{Simulation model}
313 \label{Sim model}
314
315 In the simulation model the processors exchange messages which are of
316 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
317 information that is exchanged between the processors, such as the
318 current load, or the virtual load transfers if this option is
319 selected.  These messages are rather small, and their size is
320 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
321 load transferred between the processors.  The size of a data message
322 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
323 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
324 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
325 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
326 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
327   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
328
329 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
330 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
331 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
332
333 \paragraph{Receiving thread} The receiving thread is in charge of
334 waiting for messages to come, either on the control channel, or on the
335 data channel.  When a message is received, it is pushed in a buffer of
336 received message, to be later consumed by one of the other threads.
337 There are two such buffers, one for the control messages, and one for
338 the data messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
339 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
340
341 \paragraph{Computing thread} The computing thread is in charge of the
342 real load management.  It iteratively runs the following operations:
343 \begin{itemize}
344 \item if some load was received from the neighbors, get it;
345 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
346 \item run some computation, whose duration is function of the current
347   load of the processor.
348 \end{itemize}
349 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
350 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
351 example, when the current load is zero).
352
353 \paragraph{Load-balancing thread} The load-balancing thread is in
354 charge of running the load-balancing algorithm, and exchange the
355 control messages.  It iteratively runs the following operations:
356 \begin{itemize}
357 \item get the control messages that were received from the neighbors;
358 \item run the load-balancing algorithm;
359 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
360   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
361 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
362   iterate too fast.
363 \end{itemize}
364
365 \subsection{Validation of our approaches}
366 \label{Results}
367
368
369 On veut montrer quoi ? :
370
371 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
372 2) avantage virtual load
373
374 Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
375 Topologies variées
376
377
378 Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
379 Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
380
381
382 Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
383
384 Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
385
386 Cadre processeurs homogènes
387
388 Topologies statiques
389
390 On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
391
392 Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
393
394 Taille : 10 100 très gros
395
396 \section{Conclusion and perspectives}
397
398
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