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1 \documentclass[smallextended]{svjour3}
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7 \usepackage{graphicx}
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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{\FIXME}[1]{%
17   \textbf{[FIXME]}\marginpar{\flushleft\footnotesize\bfseries$\triangleright$ #1}}
18
19 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
20
21 \begin{document}
22
23 \title{Best effort strategy and virtual load
24   for asynchronous iterative load balancing}
25
26 \author{Raphaël Couturier \and
27         Arnaud Giersch
28 }
29
30 \institute{R. Couturier \and A. Giersch \at
31               LIFC, University of Franche-Comté, Belfort, France \\
32               % Tel.: +123-45-678910\\
33               % Fax: +123-45-678910\\
34               \email{%
35                 raphael.couturier@univ-fcomte.fr,
36                 arnaud.giersch@univ-fcomte.fr}
37 }
38
39 \maketitle
40
41
42 \begin{abstract}
43
44 Most of the  time, asynchronous load balancing algorithms  have extensively been
45 studied in a theoretical point  of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
46 algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}
47 is certainly  the most well known  algorithm for which the  convergence proof is
48 given. From a  practical point of view, when  a node wants to balance  a part of
49 its  load to some  of its  neighbors, the  strategy is  not described.   In this
50 paper, we propose a strategy  called \emph{best effort} which tries to balance
51 the load of a node to all  its less loaded neighbors while ensuring that all the
52 nodes  concerned by  the load  balancing  phase have  the same  amount of  load.
53 Moreover,  asynchronous  iterative  algorithms  in which  an  asynchronous  load
54 balancing  algorithm is  implemented most  of the  time can  dissociate messages
55 concerning load transfers and message  concerning load information.  In order to
56 increase  the  converge of  a  load balancing  algorithm,  we  propose a  simple
57 heuristic called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
58 information message  to integrate the  load that it  will receive later  in its
59 load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of its
60 neighbors.  In order to  validate our  approaches, we  have defined  a simulator
61 based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
62
63
64 \end{abstract}
65
66 \section{Introduction}
67
68 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
69 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
70 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
71 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
72 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
73 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
74 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
75 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
76 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
77 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
78 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
79 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
80 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
81 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
82 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
83 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
84 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
85 version working with integer load.  This work was later generalized by
86 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
87 \FIXME{Rajouter des choses ici.}
88
89 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
90 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
91 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
92 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
93 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \emph{best effort}
94 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
95 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
96 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
97 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
98 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
99 from  data  migration  messages.  Formers  ones  allows  a  node to  inform  its
100 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
101 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
102 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
103 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
104 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
105 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
106 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
107 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
108 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
109 it can take this information into account  and it can consider that its new load
110 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
111 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
112
113
114
115 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
116 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
117 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
118 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
119 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
120 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
121 message also varies.
122
123 In the  following of this  paper, Section~\ref{BT algo} describes  the Bertsekas
124 and Tsitsiklis'  asynchronous load balancing  algorithm. Moreover, we  present a
125 possible  problem  in  the  convergence  conditions.   Section~\ref{Best-effort}
126 presents the best effort strategy which  provides an efficient way to reduce the
127 execution  times. In Section~\ref{Virtual  load}, the  virtual load  mechanism is
128 proposed. Simulations allowed to show that both our approaches are valid using a
129 quite realistic  model detailed in  Section~\ref{Simulations}. Finally we  give a
130 conclusion and some perspectives to this work.
131
132
133
134
135 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
136 \label{BT algo}
137
138 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
139 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
140 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
141 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
142 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
143 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
144 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
145 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
146 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
147 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
148 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
149 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
150 consider that the load is described by a continuous variable.
151
152 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
153 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
154 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
155 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
156 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
157 \begin{equation}
158 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
159 \label{eq:ping-pong}
160 \end{equation}
161
162
163 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
164 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
165 \begin{equation}
166 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
167 \end{equation}
168 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
169 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
170 less loaded after that.
171
172 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
173 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
174 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
175 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
176 \begin{eqnarray*}
177 x_1(t)=10   \\
178 x_2(t)=100   \\
179 x_3(t)=99.99\\
180  x_3^2(t)=99.99\\
181 \end{eqnarray*}
182 In this case, processor $2$ can  either sends load to processor $1$ or processor
183 $3$.   If  it  sends  load  to  processor $1$  it  will  not  satisfy  condition
184 (\ref{eq:ping-pong})  because  after the  sending  it  will  be less  loaded  that
185 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
186 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
187 condition or with a weaker condition.
188
189
190 \section{Best effort strategy}
191 \label{Best-effort}
192
193 In this section we  describe  a new load-balancing strategy that we call
194 \emph{best effort}.  The general idea behind this strategy is that each
195 processor, that detects it has more load than some of its neighbors, 
196 sends some load to the most of its less loaded neighbors, doing its
197 best to reach the equilibrium between those neighbors and himself.
198
199 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
200 he proceeds as following.
201 \begin{enumerate}
202 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
203   known loads $x^i_j(t)$.
204
205 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
206   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
207   \begin{itemize}
208   \item the processor's own load, and
209   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
210     processor's load.
211   \end{itemize}
212   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
213   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
214   the processor load:
215   \begin{equation*}
216     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
217       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
218   \end{equation*}
219   The following properties hold:
220   \begin{equation*}
221     \begin{cases}
222       S_i(t) \subset V(i) \\
223       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
224       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
225       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
226       \bar{x} \leq x_i(t)
227     \end{cases}
228   \end{equation*}
229
230 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
231   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
232   \bar{x} - x^i_j(t)$.
233
234   From the above equations, and notably from the definition of
235   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
236   \begin{equation*}
237     \begin{cases}
238       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
239       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
240     \end{cases}
241   \end{equation*}
242 \end{enumerate}
243
244 \FIXME{describe parameter $k$}
245
246 \section{Other strategies}
247 \label{Other}
248
249 \FIXME{Réécrire en angliche.}
250
251 % \FIXME{faut-il décrire les stratégies makhoul et simple ?}
252
253 % \paragraph{simple} Tentative de respecter simplement les conditions de Bertsekas.
254 % Parmi les voisins moins chargés que soi, on sélectionne :
255 % \begin{itemize}
256 % \item un des moins chargés (vmin) ;
257 % \item un des plus chargés (vmax),
258 % \end{itemize}
259 % puis on équilibre avec vmin en s'assurant que notre charge reste
260 % toujours supérieure à celle de vmin et à celle de vmax.
261
262 % On envoie donc (avec "self" pour soi-même) :
263 % \[
264 %     \min\left(\frac{load(self) - load(vmin)}{2}, load(self) - load(vmax)\right)
265 % \]
266
267 \paragraph{makhoul} Ordonne les voisins du moins chargé au plus chargé
268 puis calcule les différences de charge entre soi-même et chacun des
269 voisins.
270
271 Ensuite, pour chaque voisin, dans l'ordre, et tant qu'on reste plus
272 chargé que le voisin en question, on lui envoie 1/(N+1) de la
273 différence calculée au départ, avec N le nombre de voisins.
274
275 C'est l'algorithme~2 dans~\cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.
276
277 \section{Virtual load}
278 \label{Virtual load}
279
280 In this section,  we present the concept of \texttt{virtual  load}.  In order to
281 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
282 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
283 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
284 can first send  a load information message containing the load  it will send and
285 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
286 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
287 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
288 require more time to be transferred.
289
290 The  concept  of  \texttt{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
291 information message to integrate the load that it will receive later in its load
292 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
293 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
294 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
295 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
296 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
297 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
298 balancing message.
299
300 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
301 information of the load they will receive, so they can take in into account.
302
303 \FIXME{Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?}
304
305 \FIXME{describe integer mode}
306
307 \section{Simulations}
308 \label{Simulations}
309
310 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
311 using the SimGrid
312 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
313 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
314 the different load-balancing strategies under various parameters, such
315 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
316 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
317 are issued that permit to compare the strategies.
318
319 The simulation model is detailed in the next section (\ref{Sim
320   model}), and the experimental contexts are described in
321 section~\ref{Contexts}.  Then the results of the simulations are
322 presented in section~\ref{Results}.
323
324 \subsection{Simulation model}
325 \label{Sim model}
326
327 In the simulation model the processors exchange messages which are of
328 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
329 information that is exchanged between the processors, such as the
330 current load, or the virtual load transfers if this option is
331 selected.  These messages are rather small, and their size is
332 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
333 load transferred between the processors.  The size of a data message
334 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
335 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
336 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
337 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
338 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
339   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
340
341 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
342 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
343 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
344
345 \paragraph{Receiving thread} The receiving thread is in charge of
346 waiting for messages to come, either on the control channel, or on the
347 data channel.  Its behavior is sketched by Algorithm~\ref{algo.recv}.
348 When a message is received, it is pushed in a buffer of
349 received message, to be later consumed by one of the other threads.
350 There are two such buffers, one for the control messages, and one for
351 the data messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
352 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
353
354 \begin{algorithm}
355   \caption{Receiving thread}
356   \label{algo.recv}
357   \KwData{
358     \begin{algodata}
359       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
360       & communication channels (control and data) \\
361       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
362       & buffers of received messages (control and data) \\
363     \end{algodata}}
364   \While{true}{%
365     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
366     or \VAR{data\_chan}\;
367     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
368       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
369     }
370     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
371       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
372     }
373   }
374 \end{algorithm}
375
376 \paragraph{Computing thread} The computing thread is in charge of the
377 real load management.  As exposed in Algorithm~\ref{algo.comp}, it
378 iteratively runs the following operations:
379 \begin{itemize}
380 \item if some load was received from the neighbors, get it;
381 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
382 \item run some computation, whose duration is function of the current
383   load of the processor.
384 \end{itemize}
385 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
386 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
387 example, when the current load is near zero).
388
389 \begin{algorithm}
390   \caption{Computing thread}
391   \label{algo.comp}
392   \KwData{
393     \begin{algodata}
394       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
395       \VAR{real\_load} & current load \\
396     \end{algodata}}
397   \While{true}{%
398     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
399       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
400     }
401     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
402       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
403       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
404     }
405     \ForEach{neighbor $n$}{%
406       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
407         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
408       }
409     }
410     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
411       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
412       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
413     }
414   }
415 \end{algorithm}
416
417 \paragraph{Load-balancing thread} The load-balancing thread is in
418 charge of running the load-balancing algorithm, and exchange the
419 control messages.  It iteratively runs the following operations:
420 \begin{itemize}
421 \item get the control messages that were received from the neighbors;
422 \item run the load-balancing algorithm;
423 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
424   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
425 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
426   iterate too fast.
427 \end{itemize}
428
429 \begin{algorithm}
430   \caption{Load-balancing}
431   \label{algo.lb}
432   \While{true}{%
433     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
434       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
435       identify the sender of the message,
436       and update the current knowledge of its load\;
437     }
438     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
439     \ForEach{neighbor $n$}{%
440       send a control messages to $n$\;
441     }
442     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
443   }
444 \end{algorithm}
445
446 \paragraph{}
447 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
448 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
449 actual code that was used for the experiments, and which is
450 available at \FIXME{URL}.
451
452 \FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?}
453
454 \subsection{Experimental contexts}
455 \label{Contexts}
456
457 \paragraph{Configurations}
458 \begin{description}
459 \item[\textbf{platforms}] homogeneous (cluster); heterogeneous (subset
460   of Grid5000)
461 \item[\textbf{platform size}] platforms with 16, 64, 256, and 1024 nodes
462 \item[\textbf{topologies}] line; torus; hypercube
463 \item[\textbf{initial load distribution}] initially on a only node;
464   initially on all nodes
465 \item[\textbf{comp/comm ratio}] $10/1$, $1/1$, $1/10$
466 \end{description}
467
468 \paragraph{Algorithms}
469 \begin{description}
470 \item[\textbf{strategies}] makhoul; besteffort with $k\in \{1,2,4\}$
471 \item[\textbf{variants}] with, and without virtual load (bookkeeping)
472 \item[\textbf{domain}] real load, and integer load
473 \end{description}
474
475 \paragraph{Metrics}
476
477 \begin{description}
478 \item[\textbf{average idle time}]
479 \item[\textbf{average convergence date}]
480 \item[\textbf{maximum convergence date}]
481 \item[\textbf{data transfer amount}] relative to the total data amount
482 \end{description}
483
484 \subsection{Validation of our approaches}
485 \label{Results}
486
487
488 On veut montrer quoi ? :
489
490 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
491 2) avantage virtual load
492
493 Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
494 Topologies variées
495
496
497 Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
498 Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
499
500
501 Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
502
503 Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
504
505 Cadre processeurs homogènes
506
507 Topologies statiques
508
509 On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
510
511 Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
512
513 Taille : 10 100 très gros
514
515 \section{Conclusion and perspectives}
516
517
518 \bibliographystyle{spmpsci}
519 \bibliography{biblio}
520
521 \end{document}
522
523 %%% Local Variables:
524 %%% mode: latex
525 %%% TeX-master: t
526 %%% ispell-local-dictionary: "american"
527 %%% End:
528
529 % LocalWords:  Raphaël Couturier Arnaud Giersch Abderrahmane Sider Franche ij
530 % LocalWords:  Bertsekas Tsitsiklis SimGrid DASUD Comté Béjaïa asynchronism ji
531 % LocalWords:  ik isend irecv Cortés et al chan ctrl fifo