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14
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21
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23
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27
28 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
29
30 \begin{document}
31
32 \begin{frontmatter}
33
34 \journal{Parallel Computing}
35
36 \title{Best effort strategy and virtual load for\\
37   asynchronous iterative load balancing}
38
39 \author{Raphaël Couturier}
40 \ead{raphael.couturier@femto-st.fr}
41
42 \author{Arnaud Giersch\corref{cor}}
43 \ead{arnaud.giersch@femto-st.fr}
44
45 \address{FEMTO-ST, University of Franche-Comté\\
46  19 avenue de Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex , France\\
47   % Tel.: +123-45-678910\\
48   % Fax: +123-45-678910\\
49 }
50
51 \cortext[cor]{Corresponding author.}
52
53 \begin{abstract}
54   Most of the time, asynchronous load balancing algorithms have extensively been
55   studied in a theoretical point of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
56   algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel} is certainly
57   the most well known algorithm for which the convergence proof is given. From a
58   practical point of view, when a node wants to balance a part of its load to
59   some of its neighbors, the strategy is not described.  In this paper, we
60   propose a strategy called \emph{best effort} which tries to balance the load
61   of a node to all its less loaded neighbors while ensuring that all the nodes
62   concerned by the load balancing phase have the same amount of load.  Moreover,
63   asynchronous iterative algorithms in which an asynchronous load balancing
64   algorithm is implemented most of the time can dissociate messages concerning
65   load transfers and message concerning load information.  In order to increase
66   the converge of a load balancing algorithm, we propose a simple heuristic
67   called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
68   information message to integrate the load that it will receive later in its
69   load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of
70   its neighbors.  In order to validate our approaches, we have defined a
71   simulator based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
72 \end{abstract}
73
74 % \begin{keywords}
75 %   %% keywords here, in the form: keyword \sep keyword
76 % \end{keywords}
77
78 \end{frontmatter}
79
80 \section{Introduction}
81
82 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
83 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
84 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
85 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
86 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
87 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
88 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
89 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
90 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
91 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
92 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
93 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
94 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
95 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
96 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
97 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
98 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
99 version working with integer load.  This work was later generalized by
100 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
101 \FIXME{Rajouter des choses ici.  Lesquelles ?}
102
103 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
104 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
105 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
106 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
107 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \emph{best effort}
108 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
109 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
110 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
111 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
112 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
113 from  data  migration  messages.  Former  ones  allows  a  node to  inform  its
114 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
115 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
116 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
117 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
118 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
119 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
120 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
121 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
122 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
123 it can take this information into account  and it can consider that its new load
124 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
125 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
126
127
128
129 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
130 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
131 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
132 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
133 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
134 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
135 message also varies.
136
137 In the following of this paper, Section~\ref{BT algo} describes the Bertsekas
138 and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm. Moreover, we present a
139 possible problem in the convergence conditions.  Section~\ref{Best-effort}
140 presents the best effort strategy which provides an efficient way to reduce the
141 execution times.  This strategy will be compared with other ones, presented in
142 Section~\ref{Other}.  In Section~\ref{Virtual load}, the virtual load mechanism
143 is proposed.  Simulations allowed to show that both our approaches are valid
144 using a quite realistic model detailed in Section~\ref{Simulations}.  Finally we
145 give a conclusion and some perspectives to this work.
146
147
148
149 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
150 \label{BT algo}
151
152 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
153 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
154 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
155 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
156 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
157 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
158 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
159 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
160 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
161 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
162 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
163 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
164 consider that the load is described by a continuous variable.
165
166 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
167 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
168 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
169 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
170 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
171 \begin{equation}
172 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
173 \label{eq:ping-pong}
174 \end{equation}
175
176
177 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
178 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
179 \begin{equation}
180 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
181 \end{equation}
182 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
183 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
184 less loaded after that.
185
186 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
187 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
188 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
189 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
190 \begin{eqnarray*}
191 x_1(t)=10   \\
192 x_2(t)=100   \\
193 x_3(t)=99.99\\
194  x_3^2(t)=99.99\\
195 \end{eqnarray*}
196 In this case, processor $2$ can  either sends load to processor $1$ or processor
197 $3$.   If  it  sends  load  to  processor $1$  it  will  not  satisfy  condition
198 (\ref{eq:ping-pong})  because  after the  sending  it  will  be less  loaded  that
199 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
200 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
201 condition or with a weaker condition.
202
203 Nevertheless, we conjecture that such a weaker condition exists.  In fact, we
204 have never seen any scenario that is not leading to convergence, even with
205 load-balancing strategies that are not exactly fulfilling these two conditions.
206
207 It may be the subject of future work to express weaker conditions, and to prove
208 that they are sufficient to ensure the convergence of the load-balancing
209 algorithm.
210
211 \section{Best effort strategy}
212 \label{Best-effort}
213
214 In this section we describe a new load-balancing strategy that we call
215 \emph{best effort}.  First, we explain the general idea behind this strategy,
216 and then we describe some variants of this basic strategy.
217
218 \subsection{Basic strategy}
219
220 The general idea behind the \emph{best effort} strategy is that each processor,
221 that detects it has more load than some of its neighbors, sends some load to the
222 most of its less loaded neighbors, doing its best to reach the equilibrium
223 between those neighbors and himself.
224
225 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
226 he proceeds as following.
227 \begin{enumerate}
228 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
229   known loads $x^i_j(t)$.
230
231 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
232   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
233   \begin{itemize}
234   \item the processor's own load, and
235   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
236     processor's load.
237   \end{itemize}
238   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
239   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
240   the processor load:
241   \begin{equation*}
242     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
243       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
244   \end{equation*}
245   The following properties hold:
246   \begin{equation*}
247     \begin{cases}
248       S_i(t) \subset V(i) \\
249       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
250       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
251       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
252       \bar{x} \leq x_i(t)
253     \end{cases}
254   \end{equation*}
255
256 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
257   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
258   \bar{x} - x^i_j(t)$.
259
260   From the above equations, and notably from the definition of
261   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
262   \begin{equation*}
263     \begin{cases}
264       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
265       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
266     \end{cases}
267   \end{equation*}
268 \end{enumerate}
269
270 \subsection{Leveling the amount to send}
271
272 With the aforementioned basic strategy, each node does its best to reach the
273 equilibrium with its neighbors.  Since each node may be taking the same kind of
274 decision at the same moment, there is the risk that a node receives load from
275 several of its neighbors, and then is temporary going off the equilibrium state.
276 This is particularly true with strongly connected applications.
277
278 In order to reduce this effect, we add the ability to level the amount to send.
279 The idea, here, is to make smaller steps toward the equilibrium, such that a
280 potentially wrong decision has a lower impact.
281
282 Concretely, once $s_{ij}$ has been evaluated as before, it is simply divided by
283 some configurable factor.  That's what we named the ``parameter $k$'' in
284 Section~\ref{Results}.  The amount of data to send is then $s_{ij}(t) = (\bar{x}
285 - x^i_j(t))/k$.
286 \FIXME[check that it's still named $k$ in Sec.~\ref{Results}]{}
287
288 \section{Other strategies}
289 \label{Other}
290
291 Another load balancing strategy, working under the same conditions, was
292 previously developed by Bahi, Giersch, and Makhoul in
293 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.  In order to assess the performances
294 of the new \emph{best effort}, we naturally chose to compare it to this anterior
295 work.  More precisely, we will use the algorithm~2 from
296 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable} and, in the following, we will
297 reference it under the name of Makhoul's.
298
299 Here is an outline of the Makhoul's algorithm.  When a given node needs to take
300 a load balancing decision, it starts by sorting its neighbors by increasing
301 order of their load.  Then, it computes the difference between its own load, and
302 the load of each of its neighbors.  Finally, taking the neighbors following the
303 order defined before, the amount of load to send $s_{ij}$ is computed as
304 $1/(N+1)$ of the load difference, with $N$ being the number of neighbors.  This
305 process continues as long as the node is more loaded than the considered
306 neighbor.
307
308
309 \section{Virtual load}
310 \label{Virtual load}
311
312 In this section,  we present the concept of \emph{virtual load}.  In order to
313 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
314 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
315 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
316 can first send  a load information message containing the load  it will send and
317 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
318 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
319 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
320 require more time to be transferred.
321
322 The  concept  of  \emph{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
323 information message to integrate the load that it will receive later in its load
324 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
325 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
326 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
327 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
328 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
329 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
330 balancing message.
331
332 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
333 information of the load they will receive, so they can take in into account.
334
335 \FIXME{Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?}
336
337 \FIXME{describe integer mode}
338
339 \section{Simulations}
340 \label{Simulations}
341
342 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
343 using the SimGrid
344 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
345 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
346 the different load-balancing strategies under various parameters, such
347 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
348 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
349 are issued that permit to compare the strategies.
350
351 The simulation model is detailed in the next section (\ref{Sim
352   model}), and the experimental contexts are described in
353 section~\ref{Contexts}.  Then the results of the simulations are
354 presented in section~\ref{Results}.
355
356 \subsection{Simulation model}
357 \label{Sim model}
358
359 In the simulation model the processors exchange messages which are of
360 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
361 information that is exchanged between the processors, such as the
362 current load, or the virtual load transfers if this option is
363 selected.  These messages are rather small, and their size is
364 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
365 load transferred between the processors.  The size of a data message
366 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
367 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
368 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
369 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
370 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
371   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
372
373 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
374 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
375 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
376
377 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
378 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
379 actual source code that was used for the experiments%
380 \footnote{As mentioned before, our simulator relies on the SimGrid
381   framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  For the
382   experiments, we used a pre-release of SimGrid 3.7 (Git commit
383   67d62fca5bdee96f590c942b50021cdde5ce0c07, available from
384   \url{https://gforge.inria.fr/scm/?group_id=12})}, and which is
385 available at
386 \url{http://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/staff/giersch/software/loba.tar.gz}.
387
388 \subsubsection{Receiving thread}
389
390 The receiving thread is in charge of waiting for messages to come, either on the
391 control channel, or on the data channel.  Its behavior is sketched by
392 Algorithm~\ref{algo.recv}.  When a message is received, it is pushed in a buffer
393 of received message, to be later consumed by one of the other threads.  There
394 are two such buffers, one for the control messages, and one for the data
395 messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
396 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
397
398 \begin{algorithm}
399   \caption{Receiving thread}
400   \label{algo.recv}
401   \KwData{
402     \begin{algodata}
403       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
404       & communication channels (control and data) \\
405       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
406       & buffers of received messages (control and data) \\
407     \end{algodata}}
408   \While{true}{%
409     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
410     or \VAR{data\_chan}\;
411     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
412       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
413     }
414     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
415       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
416     }
417   }
418 \end{algorithm}
419
420 \subsubsection{Computing thread}
421
422 The computing thread is in charge of the real load management.  As exposed in
423 Algorithm~\ref{algo.comp}, it iteratively runs the following operations:
424 \begin{itemize}
425 \item if some load was received from the neighbors, get it;
426 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
427 \item run some computation, whose duration is function of the current
428   load of the processor.
429 \end{itemize}
430 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
431 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
432 example, when the current load is near zero).
433
434 \begin{algorithm}
435   \caption{Computing thread}
436   \label{algo.comp}
437   \KwData{
438     \begin{algodata}
439       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
440       \VAR{real\_load} & current load \\
441     \end{algodata}}
442   \While{true}{%
443     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
444       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
445     }
446     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
447       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
448       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
449     }
450     \ForEach{neighbor $n$}{%
451       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
452         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
453       }
454     }
455     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
456       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
457       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
458     }
459   }
460 \end{algorithm}
461
462 \subsubsection{Load-balancing thread}
463
464 The load-balancing thread is in charge of running the load-balancing algorithm,
465 and exchange the control messages.  As shown in Algorithm~\ref{algo.lb}, it
466 iteratively runs the following operations:
467 \begin{itemize}
468 \item get the control messages that were received from the neighbors;
469 \item run the load-balancing algorithm;
470 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
471   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
472 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
473   iterate too fast.
474 \end{itemize}
475
476 \begin{algorithm}
477   \caption{Load-balancing}
478   \label{algo.lb}
479   \While{true}{%
480     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
481       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
482       identify the sender of the message,
483       and update the current knowledge of its load\;
484     }
485     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
486     \ForEach{neighbor $n$}{%
487       send a control messages to $n$\;
488     }
489     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
490   }
491 \end{algorithm}
492
493 \paragraph{}\FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?
494 par ex, donner l'idée générale de l'implémentation.  l'idée générale est déja décrite en section~\ref{Virtual load}}
495
496 \subsection{Experimental contexts}
497 \label{Contexts}
498
499 In order to assess the performances of our algorithms, we ran our
500 simulator with various parameters, and extracted several metrics, that
501 we will describe in this section.
502
503 \subsubsection{Load balancing strategies}
504
505 Several load balancing strategies were compared.  We ran the experiments with
506 the \emph{Best effort}, and with the \emph{Makhoul} strategies.  \emph{Best
507   effort} was tested with parameter $k = 1$, $k = 2$, and $k = 4$.  Secondly,
508 each strategy was run in its two variants: with, and without the management of
509 \emph{virtual load}.  Finally, we tested each configuration with \emph{real},
510 and with \emph{integer} load.
511
512 To summarize the different load balancing strategies, we have:
513 \begin{description}
514 \item[\textbf{strategies:}] \emph{Makhoul}, or \emph{Best effort} with $k\in
515   \{1,2,4\}$
516 \item[\textbf{variants:}] with, or without virtual load
517 \item[\textbf{domain:}] real load, or integer load
518 \end{description}
519 %
520 This gives us as many as $4\times 2\times 2 = 16$ different strategies.
521
522 \subsubsection{End of the simulation}
523
524 The simulations were run until the load was nearly balanced among the
525 participating nodes.  More precisely the simulation stops when each node holds
526 an amount of load at less than 1\% of the load average, during an arbitrary
527 number of computing iterations (2000 in our case).
528
529 Note that this convergence detection was implemented in a centralized manner.
530 This is easy to do within the simulator, but it's obviously not realistic.  In a
531 real application we would have chosen a decentralized convergence detection
532 algorithm, like the one described by Bahi, Contassot-Vivier, Couturier, and
533 Vernier in \cite{10.1109/TPDS.2005.2}.
534
535 \subsubsection{Platforms}
536
537 In order to show the behavior of the different strategies in different
538 settings, we simulated the executions on two sorts of platforms.  These two
539 sorts of platforms differ by their underlaid network topology.  On the one hand,
540 we have homogeneous platforms, modeled as a cluster.  On the other hand, we have
541 heterogeneous platforms, modeled as the interconnection of a number of clusters.
542
543 The clusters were modeled by a fixed number of computing nodes interconnected
544 through a backbone link.  Each computing node has a computing power of
545 1~GFlop/s, and is connected to the backbone by a network link whose bandwidth is
546 of 125~MB/s, with a latency of 50~$\mu$s.  The backbone has a network bandwidth
547 of 2.25~GB/s, with a latency of 500~$\mu$s.
548
549 The heterogeneous platform descriptions were created by taking a subset of the
550 Grid'5000 infrastructure\footnote{Grid'5000 is a French large scale experimental
551   Grid (see \url{https://www.grid5000.fr/}).}, as described in the platform file
552 \texttt{g5k.xml} distributed with SimGrid.  Note that the heterogeneity of the
553 platform here only comes from the network topology.  Indeed, since our
554 algorithms currently do not handle heterogeneous computing resources, the
555 processor speeds were normalized, and we arbitrarily chose to fix them to
556 1~GFlop/s.
557
558 Then we derived each sort of platform with four different number of computing
559 nodes: 16, 64, 256, and 1024 nodes.
560
561 \subsubsection{Configurations}
562
563 The distributed processes of the application were then logically organized along
564 three possible topologies: a line, a torus or an hypercube.  We ran tests where
565 the total load was initially on an only node (at one end for the line topology),
566 and other tests where the load was initially randomly distributed across all the
567 participating nodes.  The total amount of load was fixed to a number of load
568 units equal to 1000 times the number of node.  The average load is then of 1000
569 load units.
570
571 For each of the preceding configuration, we finally had to choose the
572 computation and communication costs of a load unit.  We chose them, such as to
573 have three different computation over communication cost ratios, and hence model
574 three different kinds of applications:
575 \begin{itemize}
576 \item mainly communicating, with a computation/communication cost ratio of $1/10$;
577 \item mainly computing, with a computation/communication cost ratio of $10/1$ ;
578 \item balanced, with a computation/communication cost ratio of $1/1$.
579 \end{itemize}
580
581 To summarize the various configurations, we have:
582 \begin{description}
583 \item[\textbf{platforms:}] homogeneous (cluster), or heterogeneous (subset of
584   Grid'5000)
585 \item[\textbf{platform sizes:}] platforms with 16, 64, 256, or 1024 nodes
586 \item[\textbf{process topologies:}] line, torus, or hypercube
587 \item[\textbf{initial load distribution:}] initially on a only node, or
588   initially randomly distributed over all nodes
589 \item[\textbf{computation/communication cost ratio:}] $10/1$, $1/1$, or $1/10$
590 \end{description}
591 %
592 This gives us as many as $2\times 4\times 3\times 2\times 3 = 144$ different
593 configurations.
594 %
595 Combined with the various load balancing strategies, we had $16\times 144 =
596 2304$ distinct settings to evaluate.  In fact, as it will be shown later, we
597 didn't run all the strategies, nor all the configurations for the bigger
598 platforms with 1024 nodes, since to simulations would have run for a too long
599 time.
600
601 Anyway, all these the experiments represent more than 240 hours of computing
602 time.
603
604 \subsubsection{Metrics}
605
606 In order to evaluate and compare the different load balancing strategies we had
607 to define several metrics.  Our goal, when choosing these metrics, was to have
608 something tending to a constant value, i.e. to have a measure which is not
609 changing anymore once the convergence state is reached.  Moreover, we wanted to
610 have some normalized value, in order to be able to compare them across different
611 settings.
612
613 With these constraints in mind, we defined the following metrics:
614 %
615 \begin{description}
616 \item[\textbf{average idle time:}] that's the total time spent, when the nodes
617   don't hold any share of load, and thus have nothing to compute.  This total
618   time is divided by the number of participating nodes, such as to have a number
619   that can be compared between simulations of different sizes.
620
621   This metric is expected to give an idea of the ability of the strategy to
622   diffuse the load quickly.  A smaller value is better.
623
624 \item[\textbf{average convergence date:}] that's the average of the dates when
625   all nodes reached the convergence state.  The dates are measured as a number
626   of (simulated) seconds since the beginning of the simulation.
627
628 \item[\textbf{maximum convergence date:}] that's the date when the last node
629   reached the convergence state.
630
631   These two dates give an idea of the time needed by the strategy to reach the
632   equilibrium state.  A smaller value is better.
633
634 \item[\textbf{data transfer amount:}] that's the sum of the amount of all data
635   transfers during the simulation.  This sum is then normalized by dividing it
636   by the total amount of data present in the system.
637
638   This metric is expected to give an idea of the efficiency of the strategy in
639   terms of data movements, i.e. its ability to reach the equilibrium with fewer
640   transfers.  Again, a smaller value is better.
641
642 \end{description}
643
644
645 \subsection{Experimental results}
646 \label{Results}
647
648 In this section, the results for the different simulations will be presented,
649 and we'll try to explain our observations.
650
651 \subsubsection{Cluster vs grid platforms}
652
653 As mentioned earlier, we simulated the different algorithms on two kinds of
654 physical platforms: clusters and grids.  A first observation that we can make,
655 is that the graphs we draw from the data have a similar aspect for the two kinds
656 of platforms.  The only noticeable difference is that the algorithms need a bit
657 more time to achieve the convergence on the grid platforms, than on clusters.
658 Nevertheless their relative performances remain generally identical.
659
660 This suggests that the relative performances of the different strategies are not
661 influenced by the characteristics of the physical platform.  The differences in
662 the convergence times can be explained by the fact that on the grid platforms,
663 distant sites are interconnected by links of smaller bandwith.
664
665 Therefore, in the following, we'll only discuss the results for the grid
666 platforms.
667
668 \subsubsection{Main results}
669
670 \begin{figure*}[p]
671   \centering
672   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-line}%
673   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-line}
674   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-torus}%
675   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-torus}
676   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-hcube}%
677   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-hcube}
678   \caption{Real mode, initially on an only mode, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
679   \label{fig.results1}
680 \end{figure*}
681
682 \begin{figure*}[p]
683   \centering
684   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-line}%
685   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-line}
686   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-torus}%
687   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-torus}
688   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-hcube}%
689   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-hcube}
690   \caption{Real mode, random initial distribution, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
691   \label{fig.resultsN}
692 \end{figure*}
693
694 The main results for our simulations on grid platforms are presented on the
695 figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}.
696 %
697 The results on figure~\ref{fig.results1} are when the load to balance is
698 initially on an only node, while the results on figure~\ref{fig.resultsN} are
699 when the load to balance is initially randomly distributed over all nodes.
700
701 On both figures, the computation/communication cost ratio is $10/1$ on the left
702 column, and $1/10$ on the right column.  With a computatio/communication cost
703 ratio of $1/1$ the results are just between these two extrema, and definitely
704 don't give additional information, so we chose not to show them here.
705
706 On each of the figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}, the results
707 are given for the process topology being, from top to bottom, a line, a torus or
708 an hypercube.
709
710 \FIXME{explain how to read the graphs}
711
712 each bar -> times for an algorithm
713 recall the different times
714 no bar -> not run or did not converge in allocated time
715
716 repeated for the different platform sizes.
717
718 \FIXME{donner les premières conclusions, annoncer le plan de la suite}
719
720 \subsubsection{With the virtual load extension}
721
722 \subsubsection{The $k$ parameter}
723
724 \subsubsection{With an initial random repartition,  and larger platforms}
725
726 \subsubsection{With integer load}
727
728 \FIXME{what about the amount of data?}
729
730 \begin{itshape}
731 \FIXME{remove that part}
732 Dans cet ordre:
733 ...
734 - comparer be/makhoul -> be tient la route
735         -> en réel uniquement
736 - valider l'extension virtual load -> c'est 'achement bien
737 - proposer le -k -> ça peut aider dans certains cas
738 - conclure avec la version entière -> on n'a pas l'effet d'escalier !
739 Q: comment inclure les types/tailles de platesformes ?
740 Q: comment faire des moyennes ?
741 Q: comment introduire les distrib 1/N ?
742 ...
743
744 On constate quoi (vérifier avec les chiffres)?
745 \begin{itemize}
746 \item cluster ou grid, entier ou réel, ne font pas de grosses différences
747
748 \item bookkeeping? améliore souvent les choses, parfois au prix d'un retard au démarrage
749
750 \item makhoul? se fait battre sur les grosses plateformes
751
752 \item taille de plateforme?
753
754 \item ratio comp/comm?
755
756 \item option $k$? peut-être intéressant sur des plateformes fortement interconnectées (hypercube)
757
758 \item volume de comm? souvent, besteffort/plain en fait plus. pourquoi?
759
760 \item répartition initiale de la charge ?
761
762 \item integer mode sur topo. line n'a jamais fini en plain? vérifier si ce n'est
763   pas à cause de l'effet d'escalier que bk est capable de gommer.
764
765 \end{itemize}
766
767 % On veut montrer quoi ? :
768
769 % 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
770 % 2) avantage virtual load
771
772 % Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
773 % Topologies variées
774
775
776 % Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
777 % Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
778
779 % Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
780
781 % Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
782
783 % Cadre processeurs homogènes
784
785 % Topologies statiques
786
787 % On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
788
789 % Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
790
791 % Taille : 10 100 très gros
792 \end{itshape}
793
794 \section{Conclusion and perspectives}
795
796 \FIXME{conclude!}
797
798 \section*{Acknowledgements}
799
800 Computations have been performed on the supercomputer facilities of the
801 Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
802
803 \bibliographystyle{elsarticle-num}
804 \bibliography{biblio}
805 \FIXME{find and add more references}
806
807 \end{document}
808
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815
816 % LocalWords:  Raphaël Couturier Arnaud Giersch Abderrahmane Sider Franche ij
817 % LocalWords:  Bertsekas Tsitsiklis SimGrid DASUD Comté Béjaïa asynchronism ji
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