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1 \documentclass[preprint]{elsarticle}
2
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14
15 %%% Remove this before submission
16 \newcommand{\FIXMEmargin}[1]{%
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18 \newcommand{\FIXME}[2][]{%
19   \ifx #2\relax\relax \FIXMEmargin{#1}%
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21
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23
24 \newenvironment{algodata}{%
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26   \end{tabular}}
27
28 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
29
30 \newcommand{\besteffort}{\emph{best effort}}
31 \newcommand{\makhoul}{\emph{Bertsekas and Tsitsiklis}}
32
33 \begin{document}
34
35 \begin{frontmatter}
36
37 \journal{Parallel Computing}
38
39 \title{Best effort strategy and virtual load for\\
40   asynchronous iterative load balancing}
41
42 \author{Raphaël Couturier}
43 \ead{raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
44
45 \author{Arnaud Giersch\corref{cor}}
46 \ead{arnaud.giersch@univ-fcomte.fr}
47
48 \author{Mourad Hakem}
49 \ead{mourad.hakem@univ-fcomte.fr}
50
51 \address{%
52   FEMTO-ST Institute, Univ Bourgogne Franche-Comté, Belfort, France}
53
54 \cortext[cor]{Corresponding author.}
55
56 \begin{abstract}
57   Most of the time, asynchronous load balancing algorithms are extensively 
58   studied from a theoretical point of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
59   algorithm~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel} is undeniably the best known algorithm for which the asymptotic convergence proof is given. 
60   From a
61   practical point of view, when a node needs to balance a part of its load to
62   some of its neighbors, the algorithm's description is unfortunately too succinct, and no details are given on what is really sent and how the load balancing decisions are taken. In this paper, we
63   propose a new strategy called \besteffort{} which aims to balance the load
64   of a node to all its less loaded neighbors while ensuring that all involved nodes by the load balancing phase have the same amount of load. Moreover, since 
65   asynchronous iterative algorithms are less sensitive to communications delays 
66   and their variations \cite{bcvc07:bc}, both load transfer and load information messages are dissociated. 
67   To speedup the convergence time of the load balancing process, we propose {\it a clairvoyant virtual load} heuristic. This heuristic allows a node receiving a load
68   information message to integrate the future virtual load (if any) in its load's list, even if the load has not been received yet. This leads to have predictive snapshots of nodes' loads at each iteration of the load balancing process.  Consequently, the notified node sends a real part of its load to some of
69   its neighbors taking into account the virtual load it will receive in the subsequent time-steps. Based on the SimGrid simulator, some series of test-bed scenarios are considered and several QoS metrics are evaluated to show the usefulness of the proposed algorithm.
70 \end{abstract}
71
72 % \begin{keywords}
73 %   %% keywords here, in the form: keyword \sep keyword
74 % \end{keywords}
75
76 \end{frontmatter}
77
78 \section{Introduction}
79
80 Load  balancing algorithms  are  widely used  in  parallel and  distributed
81 applications to achieve high performances in terms of response time, throughput and resources usage. They play an important role and arise in various fields ranging from parallel and distributed 
82 computing systems to wireless sensor networks (WSN). 
83 The objective of load balancing is to orchestrate the distribution of the global load so that 
84 the load difference between the computational resources of the network is 
85 minimized as much as possible. Unfortunately, this problem is known to be {\bf NP-hard} in its 
86 general form and heuristics are required to achieve sub-optimal solutions but in 
87 polynomial time complexity. 
88
89 In this paper, we focus on asynchronous load balancing of non negative real numbers of {\it divisible loads}
90 in homogeneous distributed systems. Loads can be divided in arbitrary {\it fine-grain} parallel parts size 
91 that can be processed independently of each other~\cite{Bharadwaj1996, Drozdowski1998, Casanova2008}. This model of divisible loads arises in 
92 a wide range of real-world applications. Common examples, among many, include signal processing, 
93 feature extraction and edge detection in image processing, records search in huge databases, 
94 average consensus in WSN, pattern search in Big data and so on. 
95
96
97 In the literature, the problem of load balancing has been formulated and studied in various ways. The first pioneering work is due to Bertsekas  and Tsitsiklis~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}. Under some specific hypothesis and {\it ping-pong} awareness conditions (see section~\ref{sec.bt-algo} for more details), an asymptotic convergence proof is derived. 
98
99
100 Although  Bertsekas  and Tsitsiklis  describe  the necessary conditions to
101 ensure the algorithm's convergence,  there is no indication nor any strategy to really implement
102 the load distribution. 
103 Consequently,  we propose a  new strategy called  \besteffort{}
104 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
105 ensuring that all the nodes involved in the load balancing phase have the same
106 amount of  load.  Moreover, most of the time, it is simpler to dissociate load information messages
107 from  data  migration  messages.  Former  ones  allow  a  node to  inform  its
108 neighbors about its  current load. These messages are in fact very small and can often be sent 
109 very quickly.  For example, if a computing iteration takes  a significant time
110 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
111 message to each involved neighbor at each iteration. Then, the load is sent, but the reception may take time when the amount of load is huge and when communication links are slow.  Depending on the application, it may make sense or not for the nodes to try to balance  a part of their load  at each computing
112 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
113 often much longer than the  time to transfer a load information message. So,
114 when a node is notified 
115 %receives the information  
116 that later it will receive a data message,
117 it can take this information into account in its load's queue list for preventive purposes.
118 %and it can consider that its new load is larger.   
119 Consequently, it can  send a part  of its predictive
120 %real 
121 load to some  of its
122 neighbors if required. We call this trick the \emph{clairvoyant virtual load} transfer mechanism.
123
124 \medskip 
125 The main contributions and novelties of our work are summarized in the following section. 
126
127 \section{Our contributions}
128 \label{contributions}
129 \begin{itemize}
130 \item We propose a {\it best effort strategy} which proceeds greedily to achieve efficient local neighborhoods equilibrium. Upon local load imbalance detection, a {\it significant amount} of load is moved from a highly loaded node (initiator) to less loaded neighbors.     
131
132 \item Unlike earlier works, we use a new concept of virtual loads transfer which allows nodes to predict the future loads they will receive in the subsequent iterations. 
133 This leads to a noticeable speedup of the global convergence time of the load balancing process.  
134
135 \item We use SimGrid simulator which is known to be able to characterize and model realistic models of computation and communication in different types of platforms. We show that taking into account both loads transfers' costs and network contention is essential and has a real impact on the quality of the load balancing performances. 
136
137 \end{itemize}
138
139
140
141 The reminder of the paper is organized as follows. Section~\ref{sec.related.works} offers a review of the relevant approaches in the literature. Section~\ref{sec.bt-algo} describes the
142 Bertsekas and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm. 
143 Section~\ref{sec.besteffort} presents the best effort strategy which provides
144 efficient local loads equilibrium. 
145 In Section~\ref{sec.virtual-load}, the clairvoyant virtual load scheme is proposed to speedup the convergence time of the load balancing process.
146 In Section~\ref{sec.simulations}, a comprehensive set of numerical results that exhibit the usefulness of our proposal when dealing with realistic models of computation and communication is provided. Finally, some concluding remarks are made in Section~\ref{conclusions-remarks}.
147
148
149 \section{Related works}
150 \label{sec.related.works}
151 In this section, the relevant techniques proposed in the literature to tackle the problem of load balancing in a general context of distributed systems are reviewed. 
152
153 As pointed above, the most interesting approach to this issue has been proposed by Bertsekas  and Tsitsiklis~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}. This algorithm which is outlined in Section~\ref{sec.bt-algo} for the sake of comparison, has been borrowed and adapted in many works. For instance, in~\cite{CortesRCSL02} a static load balancing (called DASUD) for non negative integer number of divisible loads in arbitrary networks topologies is investigated. The term {\it "static"} stems from the fact that no loads are added or consumed during the load balancing process. The theoretical correctness proofs of the convergence property are given. Some generalizations of the same authors' own work for partially asynchronous discrete load balancing model are presented in~\cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}. The authors prove that the algorithm's convergence is finite and bounded by the straightforward network's diameter of the global equilibrium threshold in the network. In~\cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}, a fault tolerant communication version is addressed to deal with average consensus in wireless sensor networks. The objective is to have all nodes converging to the average of their initial measurements based only on nodes' local information. A slight adaptation is also considered  in~\cite{BahiCG10} for dynamic networks with bounded delays asynchronous diffusion. The dynamical aspect stands at the communication level as links between the network's resources may be intermittent.
154
155 Cybenko~\cite{Cybenko89} proposes a {\it diffusion} approach for hypercube multiprocessor networks. 
156 The author targets both static and dynamic random models of work distribution. 
157 The convergence proof is derived based on the {\it eigenstructure} of the 
158 iteration matrices that arise in load balancing of equal amount of
159 computational works. A static load balancing for  both synchronous and asynchronous ring networks is addressed in~\cite{GehrkePR99}. The authors assume that at any time step, one token at the most (units of load) can be transmitted along any edge of the ring and no tokens are created during the balancing phase. They show that for every initial token distribution, the proposed algorithm converges to the stable equilibrium with tighter linear bounds of time step-complexity.
160
161 In order to achieve the load balancing of cloud data centers, a LB technique based on Bayes theorem and Clustering is proposed in~\cite{zhao2016heuristic}. The main idea of this approach is that, the Bayes theorem is combined with the clustering process to obtain the optimal clustering set of physical target hosts leading to the overall load balancing equilibrium.  Bidding is a market-technique for task scheduling and load balancing in distributed systems
162 that characterize a set of negotiation rules for users' jobs. For instance, Izakian et al~\cite{IzakianAL10} formulate a double auction mechanism for tasks-resources matching in grid computing environments where resources are considered as provider agents and users as consumer ones. Each entity participates in the network independently and makes autonomous decisions. A provider agent determines its bid price based on its current workload and each consumer agent defines its bid value based on two main parameters: average remaining time and remaining resources for bidding. Based on JADE simulator, the proposed algorithm exhibits better performances in terms of successful execution rates, resource utilization rates and fair profit allocation.
163
164
165 Choi et al.~\cite{ChoiBH09} address the problem of robust task allocation in arbitrary networks. The proposed
166 approaches combine a bidding approach for task selection and a consensus procedure scheme for
167 decentralized conflict resolution. The developed algorithms are proven to converge to a conflict-free assignment in both single and multiple task assignment problem. An online stochastic dual gradient LB algorithm, which is called DGLB, is proposed in~\cite{chen2017dglb}. The authors deal with both workload and energy management for cloud networks consisting of multiple geo-distributed mapping nodes and data Centers. To enable online distributed implementation, tasks are decomposed both across time and space by leveraging a dual decomposition approach. Experimental results corroborate the merits of the proposed algorithm.
168
169
170 In~\cite{tripathi2017non} a LB algorithm based on game theory is proposed for distributed data centers. The authors formulate the LB problem as a non-cooperative game among front-end proxy servers and characterize the structure of Nash equilibrium. Based on the obtained Nash equilibrium structure, they derive a LB algorithm to compute the Nash equilibrium. They show through simulations that the proposed algorithm ensures fairness among the users and a good average latency across all client regions. A hybrid task scheduling and load balancing dependent and independent tasks for master-slaves platforms are addressed in~In~\cite{liu2017dems}. To minimize the response time of the submitted jobs, the proposed algorithm which is called DeMS is split into three stages: i) communication overhead reduction between masters and slaves,  ii) task migration to keep the workload balanced iii) and precedence task graphs partitioning. 
171
172 Several LB techniques, based on artificial intelligence, have also been proposed in the literature:  genetic algorithm (GA) \cite{subrata2007artificial}, honey bee behavior \cite{krishna2013honey, kwok2004new},  tabu search  \cite{subrata2007artificial} and fuzzy logic \cite{salimi2014task}. The main strength of these techniques comes from their ability to seek in large search spaces, which arises in many combinatorial optimization problems. For instance, the works in~\cite{cao2005grid, shen2014achieving} have been proposed to tackle the load balancing problem using the multi-agent approach where each agent is responsible for load balancing for a subset of nodes in the network. The agent objective is to minimize jobs' response time and host idle time dynamically. In~\cite{GrosuC05}, the authors formulate the load balancing problem as a non-cooperative game among users. They use the Nash equilibrium as the solution of this game to optimize the response time of all jobs in the entire system. The proposed scheme guarantees the optimal task allocation for each user with low time complexity. A game theoretic approach to tackle the static load balancing problem is also investigated in~\cite{PenmatsaC11}. To provide fairness to all users in  the system, the load balancing problem is formulated as a non-cooperative game among the users to minimize the response time of the submitted users' jobs. As in~\cite{GrosuC05}, the authors use the concept of Nash equilibrium as the solution of a non-cooperative game. Simulation results show that the proposed scheme offers near optimal solutions compared to other existing techniques in terms of fairness.
173
174
175
176
177 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
178 \label{sec.bt-algo}
179
180 In this section, we present a brief description of Bertsekas and Tsitsiklis' algorithm~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel} using its original notations. 
181 A network is modeled as a connected undirected graph $G=(N,A)$, where $N$ is a set 
182 of processors and $A$ is a set of communication links. The processors are 
183 labeled $i = 1,...,n$, and a link between processors $i$ and
184 $j$ is denoted by $(i, j)\in A$. The set of processor $i$'s neighbors is denoted by $V(i)$.
185  
186 Load of processor $i$
187 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   
188 Each processor $i$ has an estimate  of the load of
189 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  denoted by  $x_j^i(t)$ and this estimate 
190 may be outdated due to %.  According to
191 asynchronism and communication  delays. 
192  
193 \medskip
194 When a processor  sends a part of its  load to one or to some of  its neighbors, the
195 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
196 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
197 amount of  loads received by  $j$  from  $i$ at  time $t$. Then
198 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
199
200 \begin{equation}
201 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
202 \label{eq.ping-pong}
203 \end{equation}
204
205
206 %Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
207 %called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
208 \medskip
209 The asymptotic convergence is derived based on the {\it ping-pong} awareness condition which specifies that:
210
211 \begin{equation}
212 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
213 \end{equation}
214
215 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  
216 %This condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
217 %less loaded after that.
218
219 \medskip
220 This condition prohibits the possibility that two nodes keep sending loads to each
221 other back and forth, without reaching equilibrium. 
222
223 \medskip
224 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
225 cases. For example, consider a linear chain graph network of only three processors in which processor $1$
226 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$, but in which processors $1$ and $3$ are not neighbors. 
227 %(i.e. a simple chain which 3 processors). 
228
229 \noindent Now consider that we have the following load values at time~$t$:
230 \begin{align*}
231   x_1(t)   &= 10    \\
232   x_2(t)   &= 100   \\
233   x_3(t)   &= 99.99 \\
234   x_3^2(t) &= 99.99 
235 \end{align*}
236 %{\bf RAPH, pourquoi il y a $x_3^2$?. Sinon il faudra reformuler la suite, c'est mal dit}
237
238 Owing to the algorithm's specifications, processor $2$ can either send a part of its load to processor $1$ or processor
239 $3$.  If it sends to processor $1$, it will not satisfy condition
240 \eqref{eq.ping-pong} because after that sending it will be less loaded than
241 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably too
242 strong. %Currently, we did not try to make another convergence proof without this condition or with a weaker condition.
243
244 \smallskip  
245 Despite this, we conjecture that a weaker condition may exist since we
246 have never seen any scenario that is not leading to convergence, even with
247 load-balancing strategies that are not exactly fulfilling the authors' own conditions. %se two conditions.
248
249 %It may be the subject of future work to express weaker conditions, and to prove
250 %that they are sufficient to ensure the convergence of the load-balancing
251 %algorithm.
252
253 \smallskip
254
255 Even though this approach is interesting, several practical
256 questions arise when dealing with realistic models of 
257 computation and communication. As reported above, the 
258 algorithm's description is too succinct and no details are 
259 given on what is really sent and how the load balancing decisions 
260 are taken. To our knowledge, the only first attempt for a possible 
261 implementation of this algorithm is investigated in~\cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable} under the same conditions. Thus, in order to assess the performances
262 of the new \besteffort{}, we naturally chose to compare it to this previous
263 work.  More precisely, we will use the algorithm~2 from
264 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable} and, throughout the paper, we will
265 reference it under the original name {\it Bertsekas and Tsitsiklis} for the sake of convenience and readability. 
266
267 \smallskip 
268 Here is an outline of the main principle of the borrowed algorithm.  When a given node  $i$ has to take
269 a load balancing decision, it starts by sorting its neighbors by non-increasing
270 order of their loads.  Then, it computes the difference between its own load, and
271 the load of each of its neighbors.  Finally, taking the neighbors following the
272 order defined before, the amount of load to send $s_{ij}$ is computed as
273 $1/(|V(i)|+1)$ of the load difference%, with $n$ being the number of neighbors
274 . This process is iterated as long as the node is more loaded than the considered
275 neighbors.
276
277
278 \section{Best effort strategy}
279 \label{sec.besteffort}
280
281 In this section, we describe a new load-balancing strategy that we call
282 \besteffort{}.  First, we explain the general idea behind this strategy,
283 and then we present some variants of this basic strategy.
284
285 \subsection{Basic strategy}
286 The description of our algorithm will be given from the point of view a processor~$i$.
287 The principle of the \besteffort{} strategy is that each processor
288 detecting itself to be more loaded than some of its neighbors, sends some load to its less loaded neighbors, doing its best to reach the equilibrium
289 between the involved neighbors and itself.
290
291 More precisely, %when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
292 at each iteration of the load balancing process, processor~$i$ 
293  proceeds as follows.
294 \begin{enumerate}
295 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
296   known loads $x^i_j(t)$.
297
298 \item Then, this sorted list is used to find its largest
299   prefix such as the load of each selected neighbor is smaller than:
300   \begin{itemize}
301   \item the load of processor $i$, and
302   \item the mean of the loads of the selected neighbors and processor i.
303   \end{itemize}
304   Let $S_i(t)$ be the set of the selected neighbors, and
305   $\bar{x}(t)$ be the mean of the loads between the selected neighbors and processor $i$ which is given as follows:
306   \begin{equation*}
307     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
308       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
309   \end{equation*}
310   so that the following properties hold: %{\bf RAPH : la suite tombe du ciel :-)}
311   \begin{equation*}
312     \begin{cases}
313       S_i(t) \subset V(i) \\
314       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
315       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
316       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
317       \bar{x} \leq x_i(t)
318     \end{cases}
319   \end{equation*}
320
321 \item Once this selection is done, processor $i$ sends to each selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
322   \bar{x} - x^i_j(t)$.
323
324   %From the above equations, and notably from the definition of $\bar{x}$, it can easily be verified that:
325   
326   \smallskip
327   In this way we obtain: 
328   
329   \begin{equation*}
330     \begin{cases}
331       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
332       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
333     \end{cases}
334   \end{equation*}
335 \end{enumerate}
336
337
338
339 \subsection{Leveling the amount of load to move}
340
341 With the aforementioned basic strategy, each node does its best to reach the
342 equilibrium with its neighbors. However, one question should be outlined here:
343 how can we handle the case where two (or more) node initiators might concurrently send 
344  some loads to the same least loaded neighbor? Indeed,  
345 %since each node may take the same kind of decision at the same time, 
346 there is a risk that a node will receive loads from
347 several of its neighbors, and then might temporary go off the equilibrium state.
348 This is particularly true with strongly connected applications.
349
350
351
352 In order to reduce this effect, we add the ability to level the amount of loads to send.
353 The idea, here, is to make as few steps as possible toward the equilibrium, such that a
354 potentially unsuitable decision pointed above has a lower impact on the local equilibrium.
355 Roughly speaking, once $s_{ij}$ is estimated as previously explained, it is simply weighted by
356 a given prescribed threshold parameter which we call 
357 %.  This parameter is called 
358 $k$ in
359 Section~\ref{sec.results}.  The amount of data to send is then $s_{ij}(t) =
360 (\bar{x} - x^i_j(t))/k$.
361 %\FIXME[check that it's still named $k$ in Sec.~\ref{sec.results}]{}
362
363
364
365 \section{Virtual load}
366 \label{sec.virtual-load}
367
368 In this section,  we present the new concept of \emph{virtual load} which aims to improve the global convergence time. For this end, both load transfer messages and load information messages are dissociated. 
369 More precisely, a node wanting to send some amount of its load to one (or more) of its neighbors
370 can first send a load information message about the load it will send, and
371 later it can send the load  message containing data to be transferred.
372 Load information  messages are in fact short
373 %, consequently they 
374 and will be received soon.
375 %very quickly.  
376 In contrast, load  transfer messages are often larger ones and thus
377 require more time to be transferred.
378
379 The  concept  of  \emph{virtual load}  allows  a  node receiving a  load
380 information message to integrate (virtually) the future load it will receive later in its load's list
381  even if the load has not been received yet. Consequently, the notified node can send  a (real)  part of  its load  to some  of its
382 neighbors when needed. By and large, this allows a node on the one hand, to predict the load it will receive in the subsequent time steps, and on the other hand, to take suitable decisions when detecting load imbalance in its closed neighborhoods. Doing so, we expect faster convergence time since nodes can take 
383 into account the information about the predictive loads not 
384 received yet.
385
386
387
388 \section{Implementation with SimGrid and simulations}
389 \label{sec.simulations}
390
391 In order to test and validate our approach, we wrote a simulator
392 using the SimGrid
393 framework~\cite{simgrid.web,casanova+giersch+legrand+al.2014.simgrid}.  This
394 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
395 the different load-balancing strategies under various parameters, such
396 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
397 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
398 were considered to assess and compare the behavior of the different 
399 %are issued that permit to compare the 
400 strategies.
401
402 The simulation model is detailed in the next section (\ref{sec.model}), and the
403 experimental contexts are described in section~\ref{sec.exp-context}.  Then the
404 results of the simulations are presented in section~\ref{sec.results}.
405
406 \subsection{Simulation model}
407 \label{sec.model}
408
409 In the simulation model the processors exchange messages which are of
410 two types.  First, there are \emph{control messages} which carry only the information exchanged between processors, such as the
411 current load, or the virtual load transfers if this option is
412 considered.  These messages are rather small, and their size is
413 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
414 load transferred between processors.  The size of a data message
415 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
416 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
417 two receiving channels, one for each type of messages.  Finally, when
418 a message is sent or received, this is done by using non-blocking
419 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
420   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
421
422 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
423 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
424 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe hereafter.
425
426 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
427 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
428 actual source code that was used for the experiments%
429 \footnote{As mentioned before, our simulator relies on the SimGrid
430   framework~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.simgrid}.  For the
431   experiments, we used a pre-release of SimGrid 3.7 (Git commit
432   67d62fca5bdee96f590c942b50021cdde5ce0c07, available from
433   \url{https://github.com/simgrid/simgrid})}, and which is
434 available at
435 \url{http://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/staff/giersch/software/loba.tar.gz}.
436
437 \subsubsection{Receiving thread}
438
439 The receiving thread is in charge of waiting for incoming messages, either on the
440 control channel, or on the data channel.  Its behavior is sketched by
441 Algorithm~\ref{algo.recv}.  When a message is received, it is pushed in a buffer
442 of received messages, to be later consumed by one of the other threads.  There
443 are two such buffers, one for the control messages, and one for the data
444 messages.
445 The buffers are implemented with first-in, first-out queues (FIFO).
446
447 \begin{algorithm}
448   \caption{Receiving thread}
449   \label{algo.recv}
450   \KwData{
451     \begin{algodata}
452       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
453       & communication channels (control and data) \\
454       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
455       & buffers of received messages (control and data) \\
456     \end{algodata}}
457   \While{true}{%
458     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
459     or \VAR{data\_chan}\;
460     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
461       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
462     }
463     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
464       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
465     }
466   }
467 \end{algorithm}
468
469 \subsubsection{Computing thread}
470
471 The computing thread is in charge of the real load management.  As outlined in
472 Algorithm~\ref{algo.comp}, it iteratively runs the following operations:
473 \begin{itemize}
474 \item if some load was received from the neighbors, get it;
475 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
476 \item run some computations, whose duration is a function of the processor's current
477   load.
478 \end{itemize}
479 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
480 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
481 example, when the current load is near zero).
482
483 \begin{algorithm}
484   \caption{Computing thread}
485   \label{algo.comp}
486   \KwData{
487     \begin{algodata}
488       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
489       \VAR{real\_load} & current load \\
490     \end{algodata}}
491   \While{true}{%
492     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
493       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
494     }
495     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
496       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
497       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
498     }
499     \ForEach{neighbor $n$}{%
500       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
501         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
502       }
503     }
504     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
505       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
506       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
507     }
508   }
509 \end{algorithm}
510
511 \subsubsection{Load-balancing thread}
512
513 The load-balancing thread is in charge of running the load-balancing algorithm,
514 and exchanging the control messages.  As shown in Algorithm~\ref{algo.lb}, it
515 iteratively runs the following operations:
516 \begin{itemize}
517 \item get the control messages that were received from the neighbors;
518 \item run the load-balancing algorithm;
519 \item send control messages to the neighbors, to inform them about the
520   processor's current load, and possibly the future virtual load transfers;
521 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid iterating too fast.
522 \end{itemize}
523
524 \begin{algorithm}
525   \caption{Load-balancing}
526   \label{algo.lb}
527   \While{true}{%
528     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
529       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
530       identify the sender of the message,
531       and update the current knowledge of its load\;
532     }
533     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
534     \ForEach{neighbor $n$}{%
535       send a control messages to $n$\;
536     }
537     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
538   }
539 \end{algorithm}
540
541 %\paragraph{}\FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?
542 %  par ex, donner l'idée générale de l'implémentation.  l'idée générale est déja
543 %  décrite en section~\ref{sec.virtual-load}}
544
545 \subsection{Experimental contexts}
546 \label{sec.exp-context}
547
548 In order to assess the performances of our algorithm, simulations with various parameters have been achieved out, and several metrics are described in this section.
549
550 \subsubsection{Load balancing strategies}
551
552 Several load balancing strategies were compared.  Experiments with
553 the \besteffort{}, and with the \makhoul{} strategies have been performed.  First the \emph{best
554   effort} was tested with parameter $k = 1$, $k = 2$, and $k = 4$.  Then,
555 each strategy was run in its two variants: with, and without the management of
556 \emph{virtual load}.  Finally, each configuration with \emph{real},
557 and with \emph{integer} load values is considered.
558
559 To summarize the different load balancing strategies, we have:
560 \begin{description}
561 \item[\textbf{strategies:}] \makhoul{}, or \besteffort{} with $k\in
562   \{1,2,4\}$
563 \item[\textbf{variants:}] with, or without virtual loads
564 %\item[\textbf{domain:}] real load, or integer load
565 \end{description}
566
567 \subsubsection{End of the simulation}
568
569 The simulations were run until reaching the global equilibrium threshold. 
570   
571 More precisely, the simulation stops when each node holds
572 an amount of load at least inferior to 1\% of the load average.
573
574 \subsubsection{Platform}
575
576
577 In order to make our experiments, an heterogeneous grid platform description were created by taking a subset of the
578 Grid'5000 infrastructure\footnote{Grid'5000 is a French large scale experimental
579   Grid (see \url{https://www.grid5000.fr/}).}, as described in the platform file
580 \texttt{g5k.xml} distributed with SimGrid.  Note that the heterogeneity of the
581 platform here only comes from the network topology.  Indeed, 
582 processors are  considered to be homogeneous for the sake of simplicity.
583 However, this situation is easily extendable to the case of heterogeneous platforms 
584 by scaling the processor's load by its computing power~\cite{ElsMonPre02}.
585 %since our
586 %algorithms currently do not handle heterogeneous computing resources, 
587  The
588 processor speeds were normalized, and we arbitrarily chose to fix them at
589 1~GFlop/s. Each type of platform with four different numbers of computing
590 nodes: 16, 64, 256, and 1024 nodes is built in a similar way.
591
592 \subsubsection{Configurations}
593
594 The distributed processes of the application were then logically organized along
595 three possible typologies: a line, a torus or an hypercube.  Tests were divided into two groups on the basis of the initial distribution of the global load: i) some tests were performed with the total load initially on only one node, ii) and other tests were performed for which the load was initially randomly distributed across all the
596 participating nodes of the platform.  The total amount of loads was fixed to a number of load
597 units equal to 1,000 times the number of node.  The average load is then of 1,000
598 load units.
599
600 For all the previous configurations, the
601 computation and communication costs of a load unit are defined.  They were chosen so as to
602 have two different computation to communication ratios (CCR), and hence characterize 
603 two different types of applications:
604 \begin{itemize}
605 \item mainly communicating, with a CCR of $1/10$;
606 \item mainly computing, with a CCR of $10/1$.
607 %\item balanced, with a computation/communication cost ratio of $1/1$.
608 \end{itemize}
609
610
611 \subsubsection{Metrics}
612 \label{sec.metrics}
613
614 In order to evaluate and compare the different load balancing strategies, several metrics were considered. Our goal, when choosing these metrics, is to have
615 something tending to a constant value, i.e. to have a measure which is not
616 changing anymore once the convergence state is reached.  Moreover, the goal is to 
617 have some normalized values, in order to be able to compare them across different
618 settings. With these constraints in mind, the following metrics are defined:
619 %
620 \begin{description}
621 \item[\it{average idle time:}] that is the total time spent, when the nodes
622   do not hold any share of load, and thus have nothing to compute. 
623    A smaller value is better.
624
625 \item[\it{average convergence time:}] that is the average of the times when
626   all nodes reached the final balanced load distribution.  Times are measured as a number
627   of (simulated) seconds from the beginning of the simulation.
628
629 \item[\it{maximum convergence time:}] that is the time when the last node
630   reached the final stable equilibrium.  A smaller value is better.
631
632
633
634 \end{description}
635
636
637 \subsection{Experimental results}
638 \label{sec.results}
639
640 In this section, the results for the different simulations are presented,
641 and our observations are explained.
642
643
644
645 \subsubsection{Main results}
646
647 \begin{figure*}[p]
648   \centering
649   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-line}%
650   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-line}
651   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-torus}%
652   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-torus}
653   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-hcube}%
654   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-hcube}
655   \caption{Real mode, initially on an only mode, CCR = $10/1$ (left), or $1/10$ (right). For each bar, from bottom to top starting at $t=0$, the first part represents the average idle
656 time, the second part represents the average convergence time, and then the third part represents the maximum convergence time.}
657   \label{fig.results1}
658 \end{figure*}
659
660 \begin{figure*}[p]
661   \centering
662   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-line}%
663   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-line}
664   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-torus}%
665   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-torus}
666   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-hcube}%
667   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-hcube}
668   \caption{Real mode, random initial distribution, CCR = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
669   \label{fig.resultsN}
670 \end{figure*}
671
672 The main results for our simulations on grid platforms are presented in Figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}.
673 %
674 The results in Figure~\ref{fig.results1} are when the load to balance is
675 initially on only one node, while the results in Figure~\ref{fig.resultsN} are
676 when the load to balance is initially randomly distributed over all nodes. 
677 On both figures, the CCR is $10/1$ on the left
678 column, and $1/10$ on the right column.  
679 On each Figure, ~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}, the results
680 are given for the process topology being, from top to bottom, a line, a torus or
681 an hypercube.
682
683 Finally, the vertical bars show the measured times for the evaluated metrics. These measured times are, starting at $t=0$ and from bottom to top, the average idle
684 time, the average convergence time, and the maximum convergence time (see
685 Section~\ref{sec.metrics}).  The measurements are repeated for the different
686 platform sizes.  Some bars are missing, especially for large platforms.  This is
687 because the algorithm did not reach the convergence state in the
688 allocated time.
689
690
691
692 \subsubsection{The \besteffort{} and  \makhoul{} strategies without virtual load}
693
694 The {\it simple} ({\it plain}) version of each strategy is defined as the load balancing 
695 algorithm without virtual load's transfers. For each strategy, we compare the simple 
696 version (without virtual load) and the improved one (with virtual load). 
697 Each algorithm is evaluated in terms of achieved idle time and convergence time. 
698
699 Before looking  at the different variations,  we will first show  that the simple
700 \besteffort{}  strategy  is valuable,  and  may be  as  good  as the  \makhoul{}
701 strategy.  On  Figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN},
702 these strategies are respectively labeled ``b'' and ``a''.
703
704 We  can  see  that  the  relative  performance of  these  strategies  is  mainly
705 influenced by  the application topology structure.  It  is for the line  topology that the
706 difference is the  most important.  In this case,  the \besteffort{} strategy is
707 really faster than the \makhoul{} strategy.  This can  be explained by the
708 fact that the \besteffort{} strategy tries to distribute the load fairly between
709 all the nodes  and is in a good agreement with the line topology since  it is easy 
710 to load  balance the load efficiently.
711
712 In contrast, for the hypercube topology, the \besteffort{}' performances are lower than
713 the \makhoul{} strategy. In this case, the \makhoul{} strategy, which
714 tries to give more load to few neighbors, reaches the equilibrium faster.
715
716 For the torus  topology, for which the  number of links is between  the line and
717 the hypercube, the \makhoul{} strategy  is slightly better but the difference is
718 more nuanced when the initial load is  only on one node. The only case where the
719 \makhoul{} strategy is really faster than the \besteffort{} strategy is with the
720 random initial distribution when communications are slow.
721
722 Generally speaking,  the  number  of   interconnection  is   very  important.  Indeed, the  more
723 numerous the interconnection links are, the  faster the \makhoul{} strategy is because
724 it distributes quickly significant amount of loads, even if the distribution may be unfair, between
725 all neighbors.  However,  the \besteffort{} strategy  distributes the
726 load fairly when needed and is better for sparse connected applications.
727
728
729
730
731
732 \subsubsection{With virtual load}
733
734 The impact of virtual load scheme is most of the time really significant compared to
735 the simple version of the algorithm with the same configuration. 
736 For instance, as can be seen from Figure~\ref{fig.results1}, when the load is  initially on one node, it can be
737 noticed that the  average idle times are generally longer  with the virtual load
738 than the simple version. This  can be explained  by the  fact that, with  virtual load,
739 processors  will exchange all  the load  they need  to exchange  as soon  as the
740 virtual load has been balanced  between all the processors. As a consequence, they
741 cannot  compute  at  the  beginning.  This is  especially  noticeable  when  the
742 communication are slow (on the left part of Figure ~\ref{fig.results1}).
743
744 \smallskip 
745 When the load to balance is initially randomly distributed over all nodes, we can see from Figure \ref{fig.resultsN} that the effect of virtual load is not significant for the line topology structure. However, for both torus and hypercube structures with CCR = 1/10 (on the left of the figure), the performance of virtual load transfers is significantly better. This is explained by the fact 
746 that for small CCR values,  high communication costs play quite a significant role. Moreover, the impact of
747 communication becomes less important as the CCR values increase, since larger CCR values result in smaller communication times. The impact of CCR values were also tested on the performance of each algorithm in terms of idle times. From Figures~\ref{fig.results1} and ~\ref{fig.resultsN} virtual load scheme can be seen to achieve really good  average idle times, which is quite close to both its own simple version and its direct competitor {\it Bertsekas and Tsitsiklis} algorithm.  As expected, for coarse grain applications (CCR =10/1), idle times are close to 0 since processors are inactive most of the time compared to fine grain applications. 
748
749 \smallskip 
750 Taken as a whole, the results illustrated in Figures~\ref{fig.results1} and ~\ref{fig.resultsN} clearly show that our proposal outperforms the Bertsekas and Tsitsiklis algorithm. 
751 These results indicate that local load balancing decisions have a significant impact on the global 
752 convergence time achieved by the compared strategies. This is because, upon load imbalance detection, assigning  an amount of load in an unfair way between neighbors will severely increase the total number of iterations required by the algorithm before reaching the final stable distributions. The reason of the poorer performance of {\it Bertsekas and Tsitsiklis} algorithm  can be explained by the inconvenience of the iterative load balance policy adopted for load distribution between neighbors. Neighbors are selected in such a way that the {\it ping-pong} condition holds. Doing so, loads are not really assigned to processor neighbors which would allow them to be fairly balanced.  
753
754 \smallskip 
755 Unlike the {\it Bertsekas and Tsitsiklis} algorithm, our approach is not really sensitive when dealing with realistic models of computation and communication. This is due to two main features: i) the use of "virtual load" transfers which allows nodes to predict the load they receive in the subsequent iterations steps, ii) and the greedy neighbors selection adopted by our algorithm at each time step in the load balancing process. The involved neighbors are selected in such a way that the load difference between the computational resources is minimized as much as possible. 
756
757 \smallskip 
758 Comparing the results of the extended version (with virtual load) to the results of the simple one, it can be observed in Figs.~\ref{fig.results1} and ~\ref{fig.resultsN} that the improved version gives the best performances. It always improves both convergence and idle times significantly in all figures. This is because, with virtual load transfers, the algorithm seeks greedily to ensure a certain degree of load balancing for processors by taking into account the information about the predictive loads not received yet. Consequently, this leads to optimizing the final convergence time of the load balancing process. Similarly, the extended version achieves much better results than the simple one when considering larger platforms, as shown in Figs.~\ref{fig.results1} and ~\ref{fig.resultsN}.
759
760 \smallskip 
761 We also find in Figs.~\ref{fig.results1} and ~\ref{fig.resultsN} that the performance difference between the improved version of our proposal and its simple version (without virtual load) increases when the CCR increases. This interesting result comes from the fact that larger CCR values reveal that we are dealing with intensive computations applications in grid platforms. Thus, in order to reduce the convergence time of the load balancing for such applications, it is important to take suitable decisions upon local load imbalance detection. That is why we added {\it virtual load} transfers scheme to the {\it best effort} strategy to perfectly balance the load of processors at each step of the load balancing process.
762
763 \smallskip 
764 Finally, it is worthwhile noting from Figures~\ref{fig.results1} and ~\ref{fig.resultsN}, that the algorithm's convergence time increases together with the size of the network. We also see that the idle time increases together with the size of the network when a load is initially on a single node (Figure~\ref{fig.results1}),
765 as expected. In addition, it is interesting to note that when the number of nodes increases, there is no substantial difference in the increase of the convergence time, compared to the simple version without virtual load. This is explained by the fact that the increase in the convergence time is already absorbed by the virtual load transfers between processors being in line with the network's size. 
766
767
768
769 \subsubsection{The $k$ parameter}
770 \label{results-k}
771
772 As  explained  previously when  the  communication  are  slow the  \besteffort{}
773 strategy is efficient. This is due to the fact that it tries to balance the load
774 fairly and consequently  a significant amount of the  load is transferred between
775 processors.  In this case, it is possible to reduce the convergence time by
776 using  the leveler  parameter  (parameter  $k$).  The  advantage  of using  this
777 solution is particularly true when the initial load is randomly distributed
778 on  the nodes with  torus and  hypercube topologies  and slow  communication. When
779 a virtual load  scheme is used,  the effect of  this parameter is  also perceptible
780 in the same conditions. 
781
782
783
784
785 \subsubsection{With non negative integer load values}
786 In addition to the first tests devoted to the case of non negative real load values, further experiments were also carried with integer load values to assess the performance of our proposal.
787 As expected, the  obtained results globally have the same behavior, that is why we decided not to show similar figures.   The most
788 interesting  result, from  our point  of view,  is that  the virtual  mode allows
789 processors in a line topology to converge to the uniform load balancing state. Without
790 the virtual  load, most  of the time,  processors converge  to what is  called the
791 ``stairway effect'', that  is to say that  there is only a difference of at most one unit load between any pairs of neighbor nodes, i.e. the load difference between each processor and its neighbors is within one unit load (for example with 10 processors, we
792 obtain 10 9 8 7 6 6 7 8 9 10 instead of 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8).
793
794 \smallskip 
795 To summarize  the simulation results led us to show that, with a few exceptions (without virtual load), our proposal is superior to the {\it Bertsekas and Tsitsiklis} algorithm in all the tested scenarios. The illustrated results indicate that network size, CCR values and initial load distribution have a significant impact on the algorithm's performances. Thus, this experimental study corroborates the usefulness of our algorithm, and confirms that when dealing with realistic model platforms, both  {\it best effort} strategy and {\it virtual load} transfers play an important role on the achieved idle and convergence times.
796
797
798
799 \section{Conclusion}
800 \label{conclusions-remarks}
801
802 In this paper, a new asynchronous load balancing algorithm for non negative real numbers
803 of divisible loads in distributed systems was presented. The proposed algorithm which is called {\it best effort strategy} 
804 seeks greedily for loads imbalance detection and tries to achieve efficient local load equilibrium  
805 between neighbors. Our proposal is based on {\it a clairvoyant virtual loads' transfer} scheme which allows nodes to predict the future loads they will receive in the subsequent iterations. 
806 This leads to a noticeable speedup of the global convergence time of the load balancing process. 
807 Based on SimGrid simulator, we have demonstrated that, when dealing with realistic models of computation and communication, our algorithm exhibits better performances than its direct competitor from the literature. This makes it a viable choice for load balancing of both non negative real and integer divisible loads in distributed computing systems. % un peu gonflé peut être pour la dernière phrase.
808
809 \section*{Acknowledgments}
810
811 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
812 ANR-11-LABX-01-01).  We also thank the supercomputer facilities of the Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
813  
814 \bibliographystyle{elsarticle-num}
815 \bibliography{biblio}
816
817
818 \end{document}
819
820