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Private GIT Repository
Describe parameter k.
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1 \documentclass[smallextended]{svjour3}
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9 \usepackage[ruled,lined]{algorithm2e}
10
11 \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} % \abs{x} -> |x|
12
13 \newenvironment{algodata}{%
14   \begin{tabular}[t]{@{}l@{:~}l@{}}}{%
15   \end{tabular}}
16
17 \newcommand{\FIXME}[1]{%
18   \textbf{$\triangleright$\marginpar{\textbf{[FIXME]}}~#1}}
19
20 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
21
22 \begin{document}
23
24 \title{Best effort strategy and virtual load
25   for asynchronous iterative load balancing}
26
27 \author{Raphaël Couturier \and
28         Arnaud Giersch
29 }
30
31 \institute{R. Couturier \and A. Giersch \at
32               FEMTO-ST, University of Franche-Comté, Belfort, France \\
33               % Tel.: +123-45-678910\\
34               % Fax: +123-45-678910\\
35               \email{%
36                 raphael.couturier@femto-st.fr,
37                 arnaud.giersch@femto-st.fr}
38 }
39
40 \maketitle
41
42
43 \begin{abstract}
44
45 Most of the  time, asynchronous load balancing algorithms  have extensively been
46 studied in a theoretical point  of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
47 algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}
48 is certainly  the most well known  algorithm for which the  convergence proof is
49 given. From a  practical point of view, when  a node wants to balance  a part of
50 its  load to some  of its  neighbors, the  strategy is  not described.   In this
51 paper, we propose a strategy  called \emph{best effort} which tries to balance
52 the load of a node to all  its less loaded neighbors while ensuring that all the
53 nodes  concerned by  the load  balancing  phase have  the same  amount of  load.
54 Moreover,  asynchronous  iterative  algorithms  in which  an  asynchronous  load
55 balancing  algorithm is  implemented most  of the  time can  dissociate messages
56 concerning load transfers and message  concerning load information.  In order to
57 increase  the  converge of  a  load balancing  algorithm,  we  propose a  simple
58 heuristic called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
59 information message  to integrate the  load that it  will receive later  in its
60 load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of its
61 neighbors.  In order to  validate our  approaches, we  have defined  a simulator
62 based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
63
64
65 \end{abstract}
66
67 \section{Introduction}
68
69 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
70 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
71 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
72 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
73 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
74 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
75 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
76 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
77 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
78 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
79 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
80 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
81 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
82 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
83 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
84 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
85 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
86 version working with integer load.  This work was later generalized by
87 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
88 \FIXME{Rajouter des choses ici.}
89
90 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
91 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
92 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
93 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
94 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \emph{best effort}
95 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
96 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
97 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
98 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
99 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
100 from  data  migration  messages.  Former  ones  allows  a  node to  inform  its
101 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
102 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
103 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
104 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
105 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
106 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
107 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
108 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
109 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
110 it can take this information into account  and it can consider that its new load
111 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
112 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
113
114
115
116 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
117 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
118 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
119 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
120 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
121 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
122 message also varies.
123
124 In the following of this paper, Section~\ref{BT algo} describes the Bertsekas
125 and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm. Moreover, we present a
126 possible problem in the convergence conditions.  Section~\ref{Best-effort}
127 presents the best effort strategy which provides an efficient way to reduce the
128 execution times.  This strategy will be compared with other ones, presented in
129 Section~\ref{Other}.  In Section~\ref{Virtual load}, the virtual load mechanism
130 is proposed.  Simulations allowed to show that both our approaches are valid
131 using a quite realistic model detailed in Section~\ref{Simulations}.  Finally we
132 give a conclusion and some perspectives to this work.
133
134
135
136 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
137 \label{BT algo}
138
139 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
140 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
141 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
142 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
143 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
144 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
145 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
146 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
147 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
148 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
149 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
150 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
151 consider that the load is described by a continuous variable.
152
153 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
154 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
155 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
156 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
157 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
158 \begin{equation}
159 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
160 \label{eq:ping-pong}
161 \end{equation}
162
163
164 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
165 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
166 \begin{equation}
167 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
168 \end{equation}
169 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
170 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
171 less loaded after that.
172
173 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
174 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
175 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
176 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
177 \begin{eqnarray*}
178 x_1(t)=10   \\
179 x_2(t)=100   \\
180 x_3(t)=99.99\\
181  x_3^2(t)=99.99\\
182 \end{eqnarray*}
183 In this case, processor $2$ can  either sends load to processor $1$ or processor
184 $3$.   If  it  sends  load  to  processor $1$  it  will  not  satisfy  condition
185 (\ref{eq:ping-pong})  because  after the  sending  it  will  be less  loaded  that
186 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
187 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
188 condition or with a weaker condition.
189 %
190 \FIXME{Develop: We have the feeling that such a weaker condition
191   exists, because (it's not a proof, but) we have never seen any
192   scenario that is not leading to convergence, even with LB-strategies
193   that are not fulfilling these two conditions.}
194
195 \section{Best effort strategy}
196 \label{Best-effort}
197
198 In this section we describe a new load-balancing strategy that we call
199 \emph{best effort}.  First, we explain the general idea behind this strategy,
200 and then we describe some variants of this basic strategy.
201
202 \subsection{Basic strategy}
203
204 The general idea behind the \emph{best effort} strategy is that each processor,
205 that detects it has more load than some of its neighbors, sends some load to the
206 most of its less loaded neighbors, doing its best to reach the equilibrium
207 between those neighbors and himself.
208
209 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
210 he proceeds as following.
211 \begin{enumerate}
212 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
213   known loads $x^i_j(t)$.
214
215 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
216   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
217   \begin{itemize}
218   \item the processor's own load, and
219   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
220     processor's load.
221   \end{itemize}
222   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
223   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
224   the processor load:
225   \begin{equation*}
226     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
227       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
228   \end{equation*}
229   The following properties hold:
230   \begin{equation*}
231     \begin{cases}
232       S_i(t) \subset V(i) \\
233       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
234       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
235       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
236       \bar{x} \leq x_i(t)
237     \end{cases}
238   \end{equation*}
239
240 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
241   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
242   \bar{x} - x^i_j(t)$.
243
244   From the above equations, and notably from the definition of
245   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
246   \begin{equation*}
247     \begin{cases}
248       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
249       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
250     \end{cases}
251   \end{equation*}
252 \end{enumerate}
253
254 \subsection{Leveling the amount to send}
255
256 With the aforementioned basic strategy, each node does its best to reach the
257 equilibrium with its neighbors.  Since each node may be taking the same kind of
258 decision at the same moment, there is the risk that a node receives load from
259 several of its neighbors, and then is temporary going off the equilibrium state.
260 This is particularly true with strongly connected applications.
261
262 In order to reduce this effect, we add the ability to level the amount to send.
263 The idea, here, is to make smaller steps toward the equilibrium, such as a
264 potentially wrong decision has a lower impact.
265
266 Concretely, once $s_{ij}$ has been evaluated as before, it is simply divided by
267 some configurable factor.  That's what we named the ``parameter $k$'' in
268 Section~\ref{Results}.  The amount of data to send is then $s_{ij}(t) = (\bar{x}
269 - x^i_j(t))/k$.
270 \FIXME{check the name ($k$)}
271
272 \section{Other strategies}
273 \label{Other}
274
275 \FIXME{Réécrire en anglais.}
276
277 % \FIXME{faut-il décrire les stratégies makhoul et simple ?}
278
279 % \paragraph{simple} Tentative de respecter simplement les conditions de Bertsekas.
280 % Parmi les voisins moins chargés que soi, on sélectionne :
281 % \begin{itemize}
282 % \item un des moins chargés (vmin) ;
283 % \item un des plus chargés (vmax),
284 % \end{itemize}
285 % puis on équilibre avec vmin en s'assurant que notre charge reste
286 % toujours supérieure à celle de vmin et à celle de vmax.
287
288 % On envoie donc (avec "self" pour soi-même) :
289 % \[
290 %     \min\left(\frac{load(self) - load(vmin)}{2}, load(self) - load(vmax)\right)
291 % \]
292
293 \paragraph{makhoul} Ordonne les voisins du moins chargé au plus chargé
294 puis calcule les différences de charge entre soi-même et chacun des
295 voisins.
296
297 Ensuite, pour chaque voisin, dans l'ordre, et tant qu'on reste plus
298 chargé que le voisin en question, on lui envoie 1/(N+1) de la
299 différence calculée au départ, avec N le nombre de voisins.
300
301 C'est l'algorithme~2 dans~\cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.
302
303 \section{Virtual load}
304 \label{Virtual load}
305
306 In this section,  we present the concept of \texttt{virtual  load}.  In order to
307 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
308 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
309 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
310 can first send  a load information message containing the load  it will send and
311 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
312 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
313 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
314 require more time to be transferred.
315
316 The  concept  of  \texttt{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
317 information message to integrate the load that it will receive later in its load
318 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
319 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
320 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
321 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
322 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
323 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
324 balancing message.
325
326 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
327 information of the load they will receive, so they can take in into account.
328
329 \FIXME{Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?}
330
331 \FIXME{describe integer mode}
332
333 \section{Simulations}
334 \label{Simulations}
335
336 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
337 using the SimGrid
338 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
339 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
340 the different load-balancing strategies under various parameters, such
341 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
342 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
343 are issued that permit to compare the strategies.
344
345 The simulation model is detailed in the next section (\ref{Sim
346   model}), and the experimental contexts are described in
347 section~\ref{Contexts}.  Then the results of the simulations are
348 presented in section~\ref{Results}.
349
350 \subsection{Simulation model}
351 \label{Sim model}
352
353 In the simulation model the processors exchange messages which are of
354 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
355 information that is exchanged between the processors, such as the
356 current load, or the virtual load transfers if this option is
357 selected.  These messages are rather small, and their size is
358 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
359 load transferred between the processors.  The size of a data message
360 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
361 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
362 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
363 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
364 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
365   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
366
367 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
368 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
369 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
370
371 \paragraph{Receiving thread} The receiving thread is in charge of
372 waiting for messages to come, either on the control channel, or on the
373 data channel.  Its behavior is sketched by Algorithm~\ref{algo.recv}.
374 When a message is received, it is pushed in a buffer of
375 received message, to be later consumed by one of the other threads.
376 There are two such buffers, one for the control messages, and one for
377 the data messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
378 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
379
380 \begin{algorithm}
381   \caption{Receiving thread}
382   \label{algo.recv}
383   \KwData{
384     \begin{algodata}
385       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
386       & communication channels (control and data) \\
387       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
388       & buffers of received messages (control and data) \\
389     \end{algodata}}
390   \While{true}{%
391     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
392     or \VAR{data\_chan}\;
393     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
394       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
395     }
396     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
397       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
398     }
399   }
400 \end{algorithm}
401
402 \paragraph{Computing thread} The computing thread is in charge of the
403 real load management.  As exposed in Algorithm~\ref{algo.comp}, it
404 iteratively runs the following operations:
405 \begin{itemize}
406 \item if some load was received from the neighbors, get it;
407 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
408 \item run some computation, whose duration is function of the current
409   load of the processor.
410 \end{itemize}
411 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
412 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
413 example, when the current load is near zero).
414
415 \begin{algorithm}
416   \caption{Computing thread}
417   \label{algo.comp}
418   \KwData{
419     \begin{algodata}
420       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
421       \VAR{real\_load} & current load \\
422     \end{algodata}}
423   \While{true}{%
424     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
425       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
426     }
427     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
428       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
429       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
430     }
431     \ForEach{neighbor $n$}{%
432       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
433         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
434       }
435     }
436     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
437       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
438       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
439     }
440   }
441 \end{algorithm}
442
443 \paragraph{Load-balancing thread} The load-balancing thread is in
444 charge of running the load-balancing algorithm, and exchange the
445 control messages.  As shown in Algorithm~\ref{algo.lb}, it iteratively
446 runs the following operations:
447 \begin{itemize}
448 \item get the control messages that were received from the neighbors;
449 \item run the load-balancing algorithm;
450 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
451   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
452 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
453   iterate too fast.
454 \end{itemize}
455
456 \begin{algorithm}
457   \caption{Load-balancing}
458   \label{algo.lb}
459   \While{true}{%
460     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
461       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
462       identify the sender of the message,
463       and update the current knowledge of its load\;
464     }
465     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
466     \ForEach{neighbor $n$}{%
467       send a control messages to $n$\;
468     }
469     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
470   }
471 \end{algorithm}
472
473 \paragraph{}
474 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
475 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
476 actual source code that was used for the experiments%
477 \footnote{As mentioned before, our simulator relies on the SimGrid
478   framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  For the
479   experiments, we used a pre-release of SimGrid 3.7 (Git commit
480   67d62fca5bdee96f590c942b50021cdde5ce0c07, available from
481   \url{https://gforge.inria.fr/scm/?group_id=12})}, and which is
482 available at
483 \url{http://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/staff/giersch/software/loba.tar.gz}.
484
485 \FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?}
486
487 \subsection{Experimental contexts}
488 \label{Contexts}
489
490 In order to assess the performances of our algorithms, we ran our
491 simulator with various parameters, and extracted several metrics, that
492 we will describe in this section.
493
494 \paragraph{Load balancing strategies}
495
496 Several load balancing strategies were compared.  We ran the experiments with
497 the \emph{Best effort}, and with the \emph{Makhoul} strategies.  \emph{Best
498   effort} was tested with parameter $k = 1$, $k = 2$, and $k = 4$.  Secondly,
499 each strategy was run in its two variants: with, and without the management of
500 \emph{virtual load}.  Finally, we tested each configuration with \emph{real},
501 and with \emph{integer} load.
502
503 To summarize the different load balancing strategies, we have:
504 \begin{description}
505 \item[\textbf{strategies:}] \emph{Makhoul}, or \emph{Best effort} with $k\in
506   \{1,2,4\}$
507 \item[\textbf{variants:}] with, or without virtual load
508 \item[\textbf{domain:}] real load, or integer load
509 \end{description}
510 %
511 This gives us as many as $4\times 2\times 2 = 16$ different strategies.
512
513 \paragraph{End of the simulation}
514
515 The simulations were run until the load was nearly balanced among the
516 participating nodes.  More precisely the simulation stops when each node holds
517 an amount of load at less than 1\% of the load average, during an arbitrary
518 number of computing iterations (2000 in our case).
519
520 Note that this convergence detection was implemented in a centralized manner.
521 This is easy to do within the simulator, but it's obviously not realistic.  In a
522 real application we would have chosen a decentralized convergence detection
523 algorithm, like the one described in \cite{10.1109/TPDS.2005.2}.
524
525 \paragraph{Platforms}
526
527 In order to show the behavior of the different strategies in different
528 settings, we simulated the executions on two sorts of platforms.  These two
529 sorts of platforms differ by their underlaid network topology.  On the one hand,
530 we have homogeneous platforms, modeled as a cluster.  On the other hand, we have
531 heterogeneous platforms, modeled as the interconnection of a number of clusters.
532
533 The clusters were modeled by a fixed number of computing nodes interconnected
534 through a backbone link.  Each computing node has a computing power of
535 1~GFlop/s, and is connected to the backbone by a network link whose bandwidth is
536 of 125~MB/s, with a latency of 50~$\mu$s.  The backbone has a network bandwidth
537 of 2.25~GB/s, with a latency of 500~$\mu$s.
538
539 The heterogeneous platform descriptions were created by taking a subset of the
540 Grid'5000 infrastructure\footnote{Grid'5000 is a French large scale experimental
541   Grid (see \url{https://www.grid5000.fr/}).}, as described in the platform file
542 \texttt{g5k.xml} distributed with SimGrid.  Note that the heterogeneity of the
543 platform here only comes from the network topology.  Indeed, since our
544 algorithms currently do not handle heterogeneous computing resources, the
545 processor speeds were normalized, and we arbitrarily chose to fix them to
546 1~GFlop/s.
547
548 Then we derived each sort of platform with four different number of computing
549 nodes: 16, 64, 256, and 1024 nodes.
550
551 \paragraph{Configurations}
552
553 The distributed processes of the application were then logically organized along
554 three possible topologies: a line, a torus or an hypercube.  We ran tests where
555 the total load was initially on an only node (at one end for the line topology),
556 and other tests where the load was initially randomly distributed across all the
557 participating nodes.  The total amount of load was fixed to a number of load
558 units equal to 1000 times the number of node.  The average load is then of 1000
559 load units.
560
561 For each of the preceding configuration, we finally had to choose the
562 computation and communication costs of a load unit.  We chose them, such as to
563 have three different computation over communication cost ratios, and hence model
564 three different kinds of applications:
565 \begin{itemize}
566 \item mainly communicating, with a computation/communication cost ratio of $1/10$;
567 \item mainly computing, with a computation/communication cost ratio of $10/1$ ;
568 \item balanced, with a computation/communication cost ratio of $1/1$.
569 \end{itemize}
570
571 To summarize the various configurations, we have:
572 \begin{description}
573 \item[\textbf{platforms:}] homogeneous (cluster), or heterogeneous (subset of
574   Grid'5000)
575 \item[\textbf{platform sizes:}] platforms with 16, 64, 256, or 1024 nodes
576 \item[\textbf{process topologies:}] line, torus, or hypercube
577 \item[\textbf{initial load distribution:}] initially on a only node, or
578   initially randomly distributed over all nodes
579 \item[\textbf{computation/communication ratio:}] $10/1$, $1/1$, or $1/10$
580 \end{description}
581 %
582 This gives us as many as $2\times 4\times 3\times 2\times 3 = 144$ different
583 configurations.
584 %
585 Combined with the various load balancing strategies, we had $16\times 144 =
586 2304$ distinct settings to evaluate.  In fact, as it will be shown later, we
587 didn't run all the strategies, nor all the configurations for the bigger
588 platforms with 1024 nodes, since to simulations would have run for a too long
589 time.
590
591 Anyway, all these the experiments represent more than 240 hours of computing
592 time.
593
594 \paragraph{Metrics}
595
596 In order to evaluate and compare the different load balancing strategies we had
597 to define several metrics.  Our goal, when choosing these metrics, was to have
598 something tending to a constant value, i.e. to have a measure which is not
599 changing anymore once the convergence state is reached.  Moreover, we wanted to
600 have some normalized value, in order to be able to compare them across different
601 settings.
602
603 With these constraints in mind, we defined the following metrics:
604 %
605 \begin{description}
606 \item[\textbf{average idle time:}] that's the total time spent, when the nodes
607   don't hold any share of load, and thus have nothing to compute.  This total
608   time is divided by the number of participating nodes, such as to have a number
609   that can be compared between simulations of different sizes.
610
611   This metric is expected to give an idea of the ability of the strategy to
612   diffuse the load quickly.  A smaller value is better.
613
614 \item[\textbf{average convergence date:}] that's the average of the dates when
615   all nodes reached the convergence state.  The dates are measured as a number
616   of (simulated) seconds since the beginning of the simulation.
617
618 \item[\textbf{maximum convergence date:}] that's the date when the last node
619   reached the convergence state.
620
621   These two dates give an idea of the time needed by the strategy to reach the
622   equilibrium state.  A smaller value is better.
623
624 \item[\textbf{data transfer amount:}] that's the sum of the amount of all data
625   transfers during the simulation.  This sum is then normalized by dividing it
626   by the total amount of data present in the system.
627
628   This metric is expected to give an idea of the efficiency of the strategy in
629   terms of data movements, i.e. its ability to reach the equilibrium with fewer
630   transfers.  Again, a smaller value is better.
631
632 \end{description}
633
634
635 \subsection{Validation of our approaches}
636 \label{Results}
637
638
639 On veut montrer quoi ? :
640
641 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
642 2) avantage virtual load
643
644 Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
645 Topologies variées
646
647
648 Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
649 Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
650
651
652 Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
653
654 Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
655
656 Cadre processeurs homogènes
657
658 Topologies statiques
659
660 On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
661
662 Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
663
664 Taille : 10 100 très gros
665
666 \section{Conclusion and perspectives}
667
668 \begin{acknowledgements}
669   Computations have been performed on the supercomputer facilities of
670   the Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
671 \end{acknowledgements}
672
673 \bibliographystyle{spmpsci}
674 \bibliography{biblio}
675
676 \end{document}
677
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684
685 % LocalWords:  Raphaël Couturier Arnaud Giersch Abderrahmane Sider Franche ij
686 % LocalWords:  Bertsekas Tsitsiklis SimGrid DASUD Comté Béjaïa asynchronism ji
687 % LocalWords:  ik isend irecv Cortés et al chan ctrl fifo Makhoul GFlop xml