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Private GIT Repository
Suppr. A. Sider.
[loba-papers.git] / supercomp11 / supercomp11.tex
1 \documentclass[smallextended]{svjour3}
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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{\VAR}[1]{\textit{#1}}
17
18 \begin{document}
19
20 \title{Best effort strategy and virtual load
21   for asynchronous iterative load balancing}
22
23 \author{Raphaël Couturier \and
24         Arnaud Giersch
25 }
26
27 \institute{R. Couturier \and A. Giersch \at
28               LIFC, University of Franche-Comté, Belfort, France \\
29               % Tel.: +123-45-678910\\
30               % Fax: +123-45-678910\\
31               \email{%
32                 raphael.couturier@univ-fcomte.fr,
33                 arnaud.giersch@univ-fcomte.fr}
34 }
35
36 \maketitle
37
38
39 \begin{abstract}
40
41 Most of the  time, asynchronous load balancing algorithms  have extensively been
42 studied in a theoretical point  of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
43 algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}
44 is certainly  the most well known  algorithm for which the  convergence proof is
45 given. From a  practical point of view, when  a node wants to balance  a part of
46 its  load to some  of its  neighbors, the  strategy is  not described.   In this
47 paper, we propose a strategy  called \emph{best effort} which tries to balance
48 the load of a node to all  its less loaded neighbors while ensuring that all the
49 nodes  concerned by  the load  balancing  phase have  the same  amount of  load.
50 Moreover,  asynchronous  iterative  algorithms  in which  an  asynchronous  load
51 balancing  algorithm is  implemented most  of the  time can  dissociate messages
52 concerning load transfers and message  concerning load information.  In order to
53 increase  the  converge of  a  load balancing  algorithm,  we  propose a  simple
54 heuristic called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
55 information message  to integrate the  load that it  will receive later  in its
56 load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of its
57 neighbors.  In order to  validate our  approaches, we  have defined  a simulator
58 based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
59
60
61 \end{abstract}
62
63 \section{Introduction}
64
65 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
66 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
67 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
68 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
69 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
70 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
71 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
72 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
73 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
74 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
75 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
76 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
77 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
78 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
79 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
80 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
81 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
82 version working with integer load.  This work was later generalized by
83 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
84 {\bf Rajouter des choses ici}.
85
86 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
87 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
88 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
89 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
90 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \emph{best effort}
91 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
92 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
93 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
94 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
95 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
96 from  data  migration  messages.  Formers  ones  allows  a  node to  inform  its
97 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
98 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
99 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
100 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
101 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
102 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
103 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
104 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
105 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
106 it can take this information into account  and it can consider that its new load
107 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
108 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
109
110
111
112 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
113 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
114 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
115 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
116 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
117 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
118 message also varies.
119
120 In the  following of this  paper, Section~\ref{BT algo} describes  the Bertsekas
121 and Tsitsiklis'  asynchronous load balancing  algorithm. Moreover, we  present a
122 possible  problem  in  the  convergence  conditions.   Section~\ref{Best-effort}
123 presents the best effort strategy which  provides an efficient way to reduce the
124 execution  times. In Section~\ref{Virtual  load}, the  virtual load  mechanism is
125 proposed. Simulations allowed to show that both our approaches are valid using a
126 quite realistic  model detailed in  Section~\ref{Simulations}. Finally we  give a
127 conclusion and some perspectives to this work.
128
129
130
131
132 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
133 \label{BT algo}
134
135 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
136 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
137 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
138 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
139 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
140 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
141 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
142 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
143 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
144 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
145 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
146 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
147 consider that the load is described by a continuous variable.
148
149 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
150 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
151 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
152 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
153 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
154 \begin{equation}
155 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
156 \label{eq:ping-pong}
157 \end{equation}
158
159
160 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
161 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
162 \begin{equation}
163 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
164 \end{equation}
165 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
166 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
167 less loaded after that.
168
169 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
170 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
171 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
172 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
173 \begin{eqnarray*}
174 x_1(t)=10   \\
175 x_2(t)=100   \\
176 x_3(t)=99.99\\
177  x_3^2(t)=99.99\\
178 \end{eqnarray*}
179 In this case, processor $2$ can  either sends load to processor $1$ or processor
180 $3$.   If  it  sends  load  to  processor $1$  it  will  not  satisfy  condition
181 (\ref{eq:ping-pong})  because  after the  sending  it  will  be less  loaded  that
182 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
183 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
184 condition or with a weaker condition.
185
186
187 \section{Best effort strategy}
188 \label{Best-effort}
189
190 In this section we  describe  a new load-balancing strategy that we call
191 \emph{best effort}.  The general idea behind this strategy is that each
192 processor, that detects it has more load than some of its neighbors, 
193 sends some load to the most of its less loaded neighbors, doing its
194 best to reach the equilibrium between those neighbors and himself.
195
196 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
197 he proceeds as following.
198 \begin{enumerate}
199 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
200   known loads $x^i_j(t)$.
201
202 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
203   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
204   \begin{itemize}
205   \item the processor's own load, and
206   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
207     processor's load.
208   \end{itemize}
209   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
210   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
211   the processor load:
212   \begin{equation*}
213     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
214       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
215   \end{equation*}
216   The following properties hold:
217   \begin{equation*}
218     \begin{cases}
219       S_i(t) \subset V(i) \\
220       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
221       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
222       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
223       \bar{x} \leq x_i(t)
224     \end{cases}
225   \end{equation*}
226
227 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
228   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
229   \bar{x} - x^i_j(t)$.
230
231   From the above equations, and notably from the definition of
232   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
233   \begin{equation*}
234     \begin{cases}
235       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
236       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
237     \end{cases}
238   \end{equation*}
239 \end{enumerate}
240
241 \section{Other strategies}
242 \label{Other}
243
244 \textbf{Question} faut-il décrire les stratégies makhoul et simple ?
245
246 \paragraph{simple} Tentative de respecter simplement les conditions de Bertsekas.
247 Parmi les voisins moins chargés que soi, on sélectionne :
248 \begin{itemize}
249 \item un des moins chargés (vmin) ;
250 \item un des plus chargés (vmax),
251 \end{itemize}
252 puis on équilibre avec vmin en s'assurant que notre charge reste
253 toujours supérieure à celle de vmin et à celle de vmax.
254
255 On envoie donc (avec "self" pour soi-même) :
256 \[
257     \min\left(\frac{load(self) - load(vmin)}{2}, load(self) - load(vmax)\right)
258 \]
259
260 \paragraph{makhoul} Ordonne les voisins du moins chargé au plus chargé
261 puis calcule les différences de charge entre soi-même et chacun des
262 voisins.
263
264 Ensuite, pour chaque voisin, dans l'ordre, et tant qu'on reste plus
265 chargé que le voisin en question, on lui envoie 1/(N+1) de la
266 différence calculée au départ, avec N le nombre de voisins.
267
268 C'est l'algorithme~2 dans~\cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.
269
270 \section{Virtual load}
271 \label{Virtual load}
272
273 In this section,  we present the concept of \texttt{virtual  load}.  In order to
274 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
275 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
276 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
277 can first send  a load information message containing the load  it will send and
278 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
279 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
280 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
281 require more time to be transferred.
282
283 The  concept  of  \texttt{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
284 information message to integrate the load that it will receive later in its load
285 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
286 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
287 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
288 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
289 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
290 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
291 balancing message.
292
293 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
294 information of the load they will receive, so they can take in into account.
295
296 \textbf{Question} Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?
297
298 \section{Simulations}
299 \label{Simulations}
300
301 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
302 using the SimGrid
303 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
304 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
305 the different load-balancing strategies under various parameters, such
306 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
307 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
308 are issued that permit to compare the strategies.
309
310 The simulation model is detailed in the next section (\ref{Sim
311   model}), and the experimental contexts are described in
312 section~\ref{Contexts}.  Then the results of the simulations are
313 presented in section~\ref{Results}.
314
315 \subsection{Simulation model}
316 \label{Sim model}
317
318 In the simulation model the processors exchange messages which are of
319 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
320 information that is exchanged between the processors, such as the
321 current load, or the virtual load transfers if this option is
322 selected.  These messages are rather small, and their size is
323 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
324 load transferred between the processors.  The size of a data message
325 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
326 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
327 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
328 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
329 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
330   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
331
332 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
333 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
334 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
335
336 \paragraph{Receiving thread} The receiving thread is in charge of
337 waiting for messages to come, either on the control channel, or on the
338 data channel.  Its behavior is sketched by Algorithm~\ref{algo.recv}.
339 When a message is received, it is pushed in a buffer of
340 received message, to be later consumed by one of the other threads.
341 There are two such buffers, one for the control messages, and one for
342 the data messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
343 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
344
345 \begin{algorithm}
346   \caption{Receiving thread}
347   \label{algo.recv}
348   \KwData{
349     \begin{algodata}
350       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
351       & communication channels (control and data) \\
352       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
353       & buffers of received messages (control and data) \\
354     \end{algodata}}
355   \While{true}{%
356     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
357     or \VAR{data\_chan}\;
358     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
359       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
360     }
361     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
362       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
363     }
364   }
365 \end{algorithm}
366
367 \paragraph{Computing thread} The computing thread is in charge of the
368 real load management.  As exposed in Algorithm~\ref{algo.comp}, it
369 iteratively runs the following operations:
370 \begin{itemize}
371 \item if some load was received from the neighbors, get it;
372 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
373 \item run some computation, whose duration is function of the current
374   load of the processor.
375 \end{itemize}
376 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
377 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
378 example, when the current load is near zero).
379
380 \begin{algorithm}
381   \caption{Computing thread}
382   \label{algo.comp}
383   \KwData{
384     \begin{algodata}
385       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
386       \VAR{real\_load} & current load \\
387     \end{algodata}}
388   \While{true}{%
389     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
390       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
391     }
392     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
393       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
394       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
395     }
396     \ForEach{neighbor $n$}{%
397       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
398         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
399       }
400     }
401     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
402       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
403       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
404     }
405   }
406 \end{algorithm}
407
408 \paragraph{Load-balancing thread} The load-balancing thread is in
409 charge of running the load-balancing algorithm, and exchange the
410 control messages.  It iteratively runs the following operations:
411 \begin{itemize}
412 \item get the control messages that were received from the neighbors;
413 \item run the load-balancing algorithm;
414 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
415   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
416 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
417   iterate too fast.
418 \end{itemize}
419
420 \begin{algorithm}
421   \caption{Load-balancing}
422   \label{algo.lb}
423   \While{true}{%
424     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
425       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
426       identify the sender of the message,
427       and update the current knowledge of its load\;
428     }
429     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
430     \ForEach{neighbor $n$}{%
431       send a control messages to $n$\;
432     }
433     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
434   }
435 \end{algorithm}
436
437 \paragraph{}
438 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
439 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
440 actual code that was used for the experiments, and which is
441 available at \textbf{FIXME URL}.
442
443 \textbf{FIXME: ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?}
444
445 \subsection{Experimental contexts}
446 \label{Contexts}
447
448 \paragraph{Configurations}
449 \begin{description}
450 \item[\textbf{platforms}] homogeneous (cluster); heterogeneous (subset
451   of Grid5000)
452 \item[\textbf{platform size}] platforms with 16, 64, 256, and 1024 nodes
453 \item[\textbf{topologies}] line; torus; hypercube
454 \item[\textbf{initial load distribution}] initially on a only node;
455   initially on all nodes
456 \item[\textbf{comp/comm ratio}] $10/1$, $1/1$, $1/10$
457 \end{description}
458
459 \paragraph{Algorithms}
460 \begin{description}
461 \item[\textbf{strategies}] makhoul; besteffort with $k\in \{1,2,4\}$
462 \item[\textbf{variants}] with, and without virtual load (bookkeeping)
463 \item[\textbf{domain}] real load, and integer load
464 \end{description}
465
466 \paragraph{Metrics}
467
468 \begin{description}
469 \item[\textbf{average idle time}]
470 \item[\textbf{average convergence date}]
471 \item[\textbf{maximum convergence date}]
472 \item[\textbf{data transfer amount}] relative to the total data amount
473 \end{description}
474
475 \subsection{Validation of our approaches}
476 \label{Results}
477
478
479 On veut montrer quoi ? :
480
481 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
482 2) avantage virtual load
483
484 Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
485 Topologies variées
486
487
488 Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
489 Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
490
491
492 Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
493
494 Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
495
496 Cadre processeurs homogènes
497
498 Topologies statiques
499
500 On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
501
502 Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
503
504 Taille : 10 100 très gros
505
506 \section{Conclusion and perspectives}
507
508
509 \bibliographystyle{spmpsci}
510 \bibliography{biblio}
511
512 \end{document}
513
514 %%% Local Variables:
515 %%% mode: latex
516 %%% TeX-master: t
517 %%% ispell-local-dictionary: "american"
518 %%% End:
519
520 % LocalWords:  Raphaël Couturier Arnaud Giersch Abderrahmane Sider Franche ij
521 % LocalWords:  Bertsekas Tsitsiklis SimGrid DASUD Comté Béjaïa asynchronism ji
522 % LocalWords:  ik isend irecv Cortés et al chan ctrl fifo