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[loba-papers.git] / supercomp11 / supercomp11.tex
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8 \usepackage[ruled,lined]{algorithm2e}
9
10 \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} % \abs{x} -> |x|
11
12 \newenvironment{algodata}{%
13   \begin{tabular}[t]{@{}l@{:~}l@{}}}{%
14   \end{tabular}}
15
16 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
17
18 \begin{document}
19
20 \title{Best effort strategy and virtual load
21   for asynchronous iterative load balancing}
22
23 \author{Raphaël Couturier \and
24         Arnaud Giersch \and
25         Abderrahmane Sider
26 }
27
28 \institute{R. Couturier \and A. Giersch \at
29               LIFC, University of Franche-Comté, Belfort, France \\
30               % Tel.: +123-45-678910\\
31               % Fax: +123-45-678910\\
32               \email{%
33                 raphael.couturier@univ-fcomte.fr,
34                 arnaud.giersch@univ-fcomte.fr}
35            \and
36            A. Sider \at
37               University of Béjaïa, Béjaïa, Algeria \\
38               \email{ar.sider@univ-bejaia.dz}
39 }
40
41 \maketitle
42
43
44 \begin{abstract}
45
46 Most of the  time, asynchronous load balancing algorithms  have extensively been
47 studied in a theoretical point  of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
48 algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}
49 is certainly  the most well known  algorithm for which the  convergence proof is
50 given. From a  practical point of view, when  a node wants to balance  a part of
51 its  load to some  of its  neighbors, the  strategy is  not described.   In this
52 paper, we propose a strategy  called \emph{best effort} which tries to balance
53 the load of a node to all  its less loaded neighbors while ensuring that all the
54 nodes  concerned by  the load  balancing  phase have  the same  amount of  load.
55 Moreover,  asynchronous  iterative  algorithms  in which  an  asynchronous  load
56 balancing  algorithm is  implemented most  of the  time can  dissociate messages
57 concerning load transfers and message  concerning load information.  In order to
58 increase  the  converge of  a  load balancing  algorithm,  we  propose a  simple
59 heuristic called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
60 information message  to integrate the  load that it  will receive later  in its
61 load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of its
62 neighbors.  In order to  validate our  approaches, we  have defined  a simulator
63 based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
64
65
66 \end{abstract}
67
68 \section{Introduction}
69
70 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
71 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
72 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
73 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
74 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
75 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
76 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
77 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
78 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
79 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
80 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
81 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
82 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
83 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
84 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
85 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
86 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
87 version working with integer load.  This work was later generalized by
88 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
89 {\bf Rajouter des choses ici}.
90
91 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
92 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
93 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
94 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
95 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \emph{best effort}
96 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
97 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
98 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
99 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
100 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
101 from  data  migration  messages.  Formers  ones  allows  a  node to  inform  its
102 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
103 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
104 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
105 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
106 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
107 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
108 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
109 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
110 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
111 it can take this information into account  and it can consider that its new load
112 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
113 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
114
115
116
117 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
118 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
119 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
120 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
121 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
122 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
123 message also varies.
124
125 In the  following of this  paper, Section~\ref{BT algo} describes  the Bertsekas
126 and Tsitsiklis'  asynchronous load balancing  algorithm. Moreover, we  present a
127 possible  problem  in  the  convergence  conditions.   Section~\ref{Best-effort}
128 presents the best effort strategy which  provides an efficient way to reduce the
129 execution  times. In Section~\ref{Virtual  load}, the  virtual load  mechanism is
130 proposed. Simulations allowed to show that both our approaches are valid using a
131 quite realistic  model detailed in  Section~\ref{Simulations}. Finally we  give a
132 conclusion and some perspectives to this work.
133
134
135
136
137 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
138 \label{BT algo}
139
140 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
141 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
142 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
143 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
144 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
145 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
146 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
147 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
148 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
149 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
150 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
151 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
152 consider that the load is described by a continuous variable.
153
154 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
155 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
156 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
157 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
158 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
159 \begin{equation}
160 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
161 \label{eq:ping-pong}
162 \end{equation}
163
164
165 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
166 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
167 \begin{equation}
168 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
169 \end{equation}
170 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
171 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
172 less loaded after that.
173
174 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
175 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
176 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
177 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
178 \begin{eqnarray*}
179 x_1(t)=10   \\
180 x_2(t)=100   \\
181 x_3(t)=99.99\\
182  x_3^2(t)=99.99\\
183 \end{eqnarray*}
184 In this case, processor $2$ can  either sends load to processor $1$ or processor
185 $3$.   If  it  sends  load  to  processor $1$  it  will  not  satisfy  condition
186 (\ref{eq:ping-pong})  because  after the  sending  it  will  be less  loaded  that
187 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
188 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
189 condition or with a weaker condition.
190
191
192 \section{Best effort strategy}
193 \label{Best-effort}
194
195 In this section we  describe  a new load-balancing strategy that we call
196 \emph{best effort}.  The general idea behind this strategy is that each
197 processor, that detects it has more load than some of its neighbors, 
198 sends some load to the most of its less loaded neighbors, doing its
199 best to reach the equilibrium between those neighbors and himself.
200
201 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
202 he proceeds as following.
203 \begin{enumerate}
204 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
205   known loads $x^i_j(t)$.
206
207 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
208   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
209   \begin{itemize}
210   \item the processor's own load, and
211   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
212     processor's load.
213   \end{itemize}
214   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
215   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
216   the processor load:
217   \begin{equation*}
218     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
219       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
220   \end{equation*}
221   The following properties hold:
222   \begin{equation*}
223     \begin{cases}
224       S_i(t) \subset V(i) \\
225       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
226       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
227       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
228       \bar{x} \leq x_i(t)
229     \end{cases}
230   \end{equation*}
231
232 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
233   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
234   \bar{x} - x^i_j(t)$.
235
236   From the above equations, and notably from the definition of
237   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
238   \begin{equation*}
239     \begin{cases}
240       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
241       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
242     \end{cases}
243   \end{equation*}
244 \end{enumerate}
245
246 \section{Other strategies}
247 \label{Other}
248
249 \textbf{Question} faut-il décrire les stratégies makhoul et simple ?
250
251 \paragraph{simple} Tentative de respecter simplement les conditions de Bertsekas.
252 Parmi les voisins moins chargés que soi, on sélectionne :
253 \begin{itemize}
254 \item un des moins chargés (vmin) ;
255 \item un des plus chargés (vmax),
256 \end{itemize}
257 puis on équilibre avec vmin en s'assurant que notre charge reste
258 toujours supérieure à celle de vmin et à celle de vmax.
259
260 On envoie donc (avec "self" pour soi-même) :
261 \[
262     \min\left(\frac{load(self) - load(vmin)}{2}, load(self) - load(vmax)\right)
263 \]
264
265 \paragraph{makhoul} Ordonne les voisins du moins chargé au plus chargé
266 puis calcule les différences de charge entre soi-même et chacun des
267 voisins.
268
269 Ensuite, pour chaque voisin, dans l'ordre, et tant qu'on reste plus
270 chargé que le voisin en question, on lui envoie 1/(N+1) de la
271 différence calculée au départ, avec N le nombre de voisins.
272
273 C'est l'algorithme~2 dans~\cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.
274
275 \section{Virtual load}
276 \label{Virtual load}
277
278 In this section,  we present the concept of \texttt{virtual  load}.  In order to
279 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
280 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
281 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
282 can first send  a load information message containing the load  it will send and
283 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
284 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
285 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
286 require more time to be transferred.
287
288 The  concept  of  \texttt{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
289 information message to integrate the load that it will receive later in its load
290 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
291 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
292 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
293 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
294 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
295 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
296 balancing message.
297
298 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
299 information of the load they will receive, so they can take in into account.
300
301 \textbf{Question} Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?
302
303 \section{Simulations}
304 \label{Simulations}
305
306 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
307 using the SimGrid
308 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
309 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
310 the different load-balancing strategies under various parameters, such
311 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
312 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
313 are issued that permit to compare the strategies.
314
315 The simulation model is detailed in the next section (\ref{Sim
316   model}), and the experimental contexts are described in
317 section~\ref{Contexts}.  Then the results of the simulations are
318 presented in section~\ref{Results}.
319
320 \subsection{Simulation model}
321 \label{Sim model}
322
323 In the simulation model the processors exchange messages which are of
324 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
325 information that is exchanged between the processors, such as the
326 current load, or the virtual load transfers if this option is
327 selected.  These messages are rather small, and their size is
328 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
329 load transferred between the processors.  The size of a data message
330 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
331 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
332 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
333 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
334 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
335   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
336
337 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
338 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
339 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
340
341 \paragraph{Receiving thread} The receiving thread is in charge of
342 waiting for messages to come, either on the control channel, or on the
343 data channel.  Its behavior is sketched by Algorithm~\ref{algo.recv}.
344 When a message is received, it is pushed in a buffer of
345 received message, to be later consumed by one of the other threads.
346 There are two such buffers, one for the control messages, and one for
347 the data messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
348 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
349
350 \begin{algorithm}
351   \caption{Receiving thread}
352   \label{algo.recv}
353   \KwData{
354     \begin{algodata}
355       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
356       & communication channels (control and data) \\
357       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
358       & buffers of received messages (control and data) \\
359     \end{algodata}}
360   \While{true}{%
361     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
362     or \VAR{data\_chan}\;
363     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
364       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
365     }
366     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
367       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
368     }
369   }
370 \end{algorithm}
371
372 \paragraph{Computing thread} The computing thread is in charge of the
373 real load management.  As exposed in Algorithm~\ref{algo.comp}, it
374 iteratively runs the following operations:
375 \begin{itemize}
376 \item if some load was received from the neighbors, get it;
377 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
378 \item run some computation, whose duration is function of the current
379   load of the processor.
380 \end{itemize}
381 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
382 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
383 example, when the current load is near zero).
384
385 \begin{algorithm}
386   \caption{Computing thread}
387   \label{algo.comp}
388   \KwData{
389     \begin{algodata}
390       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
391       \VAR{real\_load} & current load \\
392     \end{algodata}}
393   \While{true}{%
394     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
395       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
396     }
397     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
398       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
399       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
400     }
401     \ForEach{neighbor $n$}{%
402       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
403         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
404       }
405     }
406     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
407       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
408       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
409     }
410   }
411 \end{algorithm}
412
413 \paragraph{Load-balancing thread} The load-balancing thread is in
414 charge of running the load-balancing algorithm, and exchange the
415 control messages.  It iteratively runs the following operations:
416 \begin{itemize}
417 \item get the control messages that were received from the neighbors;
418 \item run the load-balancing algorithm;
419 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
420   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
421 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
422   iterate too fast.
423 \end{itemize}
424
425 \begin{algorithm}
426   \caption{Load-balancing}
427   \label{algo.lb}
428   \While{true}{%
429     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
430       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
431       identify the sender of the message,
432       and update the current knowledge of its load\;
433     }
434     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
435     \ForEach{neighbor $n$}{%
436       send a control messages to $n$\;
437     }
438     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
439   }
440 \end{algorithm}
441
442 \paragraph{}
443 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
444 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
445 actual code that was used for the experiments, and which is
446 available at \textbf{FIXME URL}.
447
448 \textbf{FIXME: ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?}
449
450 \subsection{Experimental contexts}
451 \label{Contexts}
452
453 \textbf{FIXME once the experimentation is done!}
454 \begin{description}
455 \item[platforms] homogeneous ; heterogeneous generated with the SIMULACRUM tool~\cite{QUINSON:2010:INRIA-00502839:1}
456 \item[topologies]
457 \item[algorithms]
458 \item[etc.]
459 \end{description}
460
461 \subsection{Validation of our approaches}
462 \label{Results}
463
464
465 On veut montrer quoi ? :
466
467 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
468 2) avantage virtual load
469
470 Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
471 Topologies variées
472
473
474 Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
475 Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
476
477
478 Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
479
480 Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
481
482 Cadre processeurs homogènes
483
484 Topologies statiques
485
486 On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
487
488 Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
489
490 Taille : 10 100 très gros
491
492 \section{Conclusion and perspectives}
493
494
495 \bibliographystyle{spmpsci}
496 \bibliography{biblio}
497
498 \end{document}
499
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