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1 \documentclass[preprint]{elsarticle}
2
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6 %\usepackage{newtxtext}
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14
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16 \newcommand{\FIXMEmargin}[1]{%
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18 \newcommand{\FIXME}[2][]{%
19   \ifx #2\relax\relax \FIXMEmargin{#1}%
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21
22 \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} % \abs{x} -> |x|
23
24 \newenvironment{algodata}{%
25   \begin{tabular}[t]{@{}l@{:~}l@{}}}{%
26   \end{tabular}}
27
28 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
29
30 \newcommand{\besteffort}{\emph{best effort}}
31 \newcommand{\makhoul}{\emph{Makhoul}}
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 have extensively been
58   studied in a theoretical point of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
59   algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel} is certainly
60   the most well known algorithm for which the convergence proof is given. From a
61   practical point of view, when a node wants to balance a part of its load to
62   some of its neighbors, the strategy is not described.  In this paper, we
63   propose a strategy called \besteffort{} which tries to balance the load
64   of a node to all its less loaded neighbors while ensuring that all the nodes
65   concerned by the load balancing phase have the same amount of load.  Moreover,
66   asynchronous iterative algorithms, in which an asynchronous load balancing
67   algorithm is implemented, can dissociate, most of the time, messages concerning
68   load transfers and message concerning load information.  In order to increase
69   the converge of a load balancing algorithm, we propose a simple heuristic
70   called \emph{virtual load}. This heuristic allows a node that receives a load
71   information message to integrate this information, even if the load has not been received yet. Consequently the node sends a (real) part of its load to some of
72   its neighbors taking into account the virtual load it will receive soon.  In order to validate our approaches, we have defined a
73   simulator based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
74 \end{abstract}
75
76 % \begin{keywords}
77 %   %% keywords here, in the form: keyword \sep keyword
78 % \end{keywords}
79
80 \end{frontmatter}
81
82 \section{Introduction}
83
84 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
85 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
86 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
87 networks.   In a distributed context (i.e. without centralization), they are  iterative by  nature.
88 In  literature many  kinds  of load
89 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
90 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
91 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
92 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
93 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
94 where computing nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
95 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
96 algorithm which is definitively a reference for many works. In their work, they
97 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
98 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
99 iterative algorithm  converges to  the uniform load  distribution. This  work has
100 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
101 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
102 version working with integer load.  This work was later generalized by
103 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
104 \FIXME{Rajouter des choses ici.  Lesquelles ?}
105
106 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
107 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
108 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
109 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
110 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \besteffort{}
111 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
112 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
113 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
114 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
115 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
116 from  data  migration  messages.  Former  ones  allow  a  node to  inform  its
117 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent 
118 often and very quickly.  For example, if a computing iteration takes  a significant times
119 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
120 message to each  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 have
121 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
122 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
123 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
124 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
125 it can take this information into account  and it can consider that its new load
126 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
127 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
128
129 {\bf The contributions of this paper are the following:}
130 \begin{itemize}
131 \item We propose a new strategy to improve the distribution of the
132 load and a simple but efficient trick that also improves the load
133 balancing.
134 \item we have conducted many simulations with SimGrid in order to
135 validate that our improvements are really efficient. Our simulations consider
136 that in order to send a message, a latency delays the sending and according to
137 the network performance and the message size, the time of the reception of the
138 message also varies.
139 \end{itemize}
140
141 In the following of this paper, Section~\ref{sec.bt-algo} describes the
142 Bertsekas and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm. Moreover, we
143 present a possible problem in the convergence conditions. In Section~\ref{sec.related.works}, related works are presented.
144 Section~\ref{sec.besteffort} presents the best effort strategy which provides an
145 efficient way to reduce the execution times.  This strategy will be compared
146 with other ones, presented in Section~\ref{sec.other}.  In
147 Section~\ref{sec.virtual-load}, the virtual load mechanism is proposed.
148 Simulations allowed to show that both our approaches are valid using a quite
149 realistic model detailed in Section~\ref{sec.simulations}.  Finally we give a
150 conclusion and some perspectives to this work.
151
152
153
154 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
155 \label{sec.bt-algo}
156
157 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
158 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
159 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
160 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
161 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,A)$
162 where $A$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
163 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
164 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
165 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
166 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
167 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
168 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
169 consider that the load is described by a continuous variable.
170
171 When a processor  sends a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
172 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
173 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
174 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
175 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
176 \begin{equation}
177 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
178 \label{eq.ping-pong}
179 \end{equation}
180
181
182 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
183 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
184 \begin{equation}
185 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
186 \end{equation}
187 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
188 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
189 less loaded after that.
190
191 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
192 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
193 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
194 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
195 \begin{align*}
196   x_1(t)   &= 10    \\
197   x_2(t)   &= 100   \\
198   x_3(t)   &= 99.99 \\
199   x_3^2(t) &= 99.99 \\
200 \end{align*}
201 {\bf RAPH, pourquoi il y a $x_3^2$?. Sinon il faudra reformuler la suite, c'est mal dit}
202
203 In this case, processor $2$ can either sends load to processor $1$ or processor
204 $3$.  If it sends load to processor $1$ it will not satisfy condition
205 \eqref{eq.ping-pong} because after the sending it will be less loaded that
206 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
207 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
208 condition or with a weaker condition.
209
210 Nevertheless, we conjecture that such a weaker condition exists.  In fact, we
211 have never seen any scenario that is not leading to convergence, even with
212 load-balancing strategies that are not exactly fulfilling these two conditions.
213
214 It may be the subject of future work to express weaker conditions, and to prove
215 that they are sufficient to ensure the convergence of the load-balancing
216 algorithm.
217
218
219 \section{Related works}
220 \label{sec.related.works}
221 {\bf A FAIRE}
222
223
224
225 \section{Best effort strategy}
226 \label{sec.besteffort}
227
228 In this section we describe a new load-balancing strategy that we call
229 \besteffort{}.  First, we explain the general idea behind this strategy,
230 and then we describe some variants of this basic strategy.
231
232 \subsection{Basic strategy}
233
234 The general idea behind the \besteffort{} strategy is that each processor,
235 that detects it has more load than some of its neighbors, sends some load to the
236 most of its less loaded neighbors, doing its best to reach the equilibrium
237 between those neighbors and himself.
238
239 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
240 he proceeds as following.
241 \begin{enumerate}
242 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
243   known loads $x^i_j(t)$.
244
245 \item Then, this sorted list is used to find its largest
246   prefix such as the load of each selected neighbor is smaller than:
247   \begin{itemize}
248   \item the load of processor $i$, and
249   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
250     processor's load.
251   \end{itemize}
252   Let $S_i(t)$ be the set of the selected neighbors, and
253   $\bar{x}(t)$ be the mean of the loads of the selected neighbors plus the load of processor $i$:
254   \begin{equation*}
255     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
256       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
257   \end{equation*}
258   The following properties hold: {\bf RAPH : la suite tombe du ciel :-)}
259   \begin{equation*}
260     \begin{cases}
261       S_i(t) \subset V(i) \\
262       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
263       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
264       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
265       \bar{x} \leq x_i(t)
266     \end{cases}
267   \end{equation*}
268
269 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
270   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
271   \bar{x} - x^i_j(t)$.
272
273   From the above equations, and notably from the definition of
274   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
275   \begin{equation*}
276     \begin{cases}
277       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
278       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
279     \end{cases}
280   \end{equation*}
281 \end{enumerate}
282
283 \subsection{Leveling the amount to send}
284
285 With the aforementioned basic strategy, each node does its best to reach the
286 equilibrium with its neighbors.  Since each node may be taking the same kind of
287 decision at the same moment, there is the risk that a node receives load from
288 several of its neighbors, and then is temporary going off the equilibrium state.
289 This is particularly true with strongly connected applications.
290
291 In order to reduce this effect, we add the ability to level the amount to send.
292 The idea, here, is to make smaller steps toward the equilibrium, such that a
293 potentially wrong decision has a lower impact.
294
295 Roughtly speaking, once $s_{ij}$ has been evaluated as previously explained, it is simply divided by
296 a given factor.  This parameter is called $k$ in
297 Section~\ref{sec.results}.  The amount of data to send is then $s_{ij}(t) =
298 (\bar{x} - x^i_j(t))/k$.
299 \FIXME[check that it's still named $k$ in Sec.~\ref{sec.results}]{}
300
301 \section{Other strategies}
302 \label{sec.other}
303
304 Another load balancing strategy, working under the same conditions, was
305 previously developed by Bahi, Giersch, and Makhoul in
306 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.  In order to assess the performances
307 of the new \besteffort{}, we naturally chose to compare it to this anterior
308 work.  More precisely, we will use the algorithm~2 from
309 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable} and, in the following, we will
310 reference it under the name of Makhoul's.
311
312 Here is an outline of the Makhoul's algorithm.  When a given node needs to take
313 a load balancing decision, it starts by sorting its neighbors by increasing
314 order of their load.  Then, it computes the difference between its own load, and
315 the load of each of its neighbors.  Finally, taking the neighbors following the
316 order defined before, the amount of load to send $s_{ij}$ is computed as
317 $1/(n+1)$ of the load difference, with $n$ being the number of neighbors.  This
318 process continues as long as the node is more loaded than the considered
319 neighbor.
320
321
322 \section{Virtual load}
323 \label{sec.virtual-load}
324
325 In this section,  we present the concept of \emph{virtual load}.  In order to
326 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
327 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
328 precisely, a node wanting to send a part of its load to one of its neighbors
329 can first send a load information message containing the load it will send, and
330 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
331 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
332 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
333 require more time to be transferred.
334
335 The  concept  of  \emph{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
336 information message to integrate the load that it will receive later in its load
337 (virtually). Consequently the considered node can send  a (real)  part of  its load  to some  of its
338 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
339 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
340 corresponding data.  So, if this node detects it is too  loaded compared to some
341 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
342 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
343 balancing message.
344
345 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
346 information of the load they will receive, so they can take it into account.
347
348 \FIXME{Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?}
349
350 With integer load, we adapt this algorithm by .... {\bf RAPH a faire}
351
352 \FIXME{describe integer mode}
353
354 \section{Simulations}
355 \label{sec.simulations}
356
357 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
358 using the SimGrid
359 framework~\cite{simgrid.web,casanova+giersch+legrand+al.2014.simgrid}.  This
360 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
361 the different load-balancing strategies under various parameters, such
362 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
363 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
364 are issued that permit to compare the strategies.
365
366 The simulation model is detailed in the next section (\ref{sec.model}), and the
367 experimental contexts are described in section~\ref{sec.exp-context}.  Then the
368 results of the simulations are presented in section~\ref{sec.results}.
369
370 \subsection{Simulation model}
371 \label{sec.model}
372
373 In the simulation model the processors exchange messages which are of
374 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
375 information that is exchanged between the processors, such as the
376 current load, or the virtual load transfers if this option is
377 selected.  These messages are rather small, and their size is
378 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
379 load transferred between the processors.  The size of a data message
380 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
381 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
382 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
383 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
384 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
385   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
386
387 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
388 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
389 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
390
391 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
392 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
393 actual source code that was used for the experiments%
394 \footnote{As mentioned before, our simulator relies on the SimGrid
395   framework~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.simgrid}.  For the
396   experiments, we used a pre-release of SimGrid 3.7 (Git commit
397   67d62fca5bdee96f590c942b50021cdde5ce0c07, available from
398   \url{https://gforge.inria.fr/scm/?group_id=12})}, and which is
399 available at
400 \url{http://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/staff/giersch/software/loba.tar.gz}.
401
402 \subsubsection{Receiving thread}
403
404 The receiving thread is in charge of waiting for messages to come, either on the
405 control channel, or on the data channel.  Its behavior is sketched by
406 Algorithm~\ref{algo.recv}.  When a message is received, it is pushed in a buffer
407 of received message, to be later consumed by one of the other threads.  There
408 are two such buffers, one for the control messages, and one for the data
409 messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
410 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
411
412 \begin{algorithm}
413   \caption{Receiving thread}
414   \label{algo.recv}
415   \KwData{
416     \begin{algodata}
417       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
418       & communication channels (control and data) \\
419       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
420       & buffers of received messages (control and data) \\
421     \end{algodata}}
422   \While{true}{%
423     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
424     or \VAR{data\_chan}\;
425     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
426       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
427     }
428     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
429       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
430     }
431   }
432 \end{algorithm}
433
434 \subsubsection{Computing thread}
435
436 The computing thread is in charge of the real load management.  As exposed in
437 Algorithm~\ref{algo.comp}, it iteratively runs the following operations:
438 \begin{itemize}
439 \item if some load was received from the neighbors, get it;
440 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
441 \item run some computation, whose duration is function of the current
442   load of the processor.
443 \end{itemize}
444 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
445 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
446 example, when the current load is near zero).
447
448 \begin{algorithm}
449   \caption{Computing thread}
450   \label{algo.comp}
451   \KwData{
452     \begin{algodata}
453       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
454       \VAR{real\_load} & current load \\
455     \end{algodata}}
456   \While{true}{%
457     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
458       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
459     }
460     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
461       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
462       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
463     }
464     \ForEach{neighbor $n$}{%
465       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
466         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
467       }
468     }
469     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
470       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
471       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
472     }
473   }
474 \end{algorithm}
475
476 \subsubsection{Load-balancing thread}
477
478 The load-balancing thread is in charge of running the load-balancing algorithm,
479 and exchange the control messages.  As shown in Algorithm~\ref{algo.lb}, it
480 iteratively runs the following operations:
481 \begin{itemize}
482 \item get the control messages that were received from the neighbors;
483 \item run the load-balancing algorithm;
484 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
485   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
486 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
487   iterate too fast.
488 \end{itemize}
489
490 \begin{algorithm}
491   \caption{Load-balancing}
492   \label{algo.lb}
493   \While{true}{%
494     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
495       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
496       identify the sender of the message,
497       and update the current knowledge of its load\;
498     }
499     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
500     \ForEach{neighbor $n$}{%
501       send a control messages to $n$\;
502     }
503     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
504   }
505 \end{algorithm}
506
507 \paragraph{}\FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?
508   par ex, donner l'idée générale de l'implémentation.  l'idée générale est déja
509   décrite en section~\ref{sec.virtual-load}}
510
511 \subsection{Experimental contexts}
512 \label{sec.exp-context}
513
514 In order to assess the performances of our algorithms, we ran our
515 simulator with various parameters, and extracted several metrics, that
516 we will describe in this section.
517
518 \subsubsection{Load balancing strategies}
519
520 Several load balancing strategies were compared.  We ran the experiments with
521 the \besteffort{}, and with the \makhoul{} strategies.  \emph{Best
522   effort} was tested with parameter $k = 1$, $k = 2$, and $k = 4$.  Secondly,
523 each strategy was run in its two variants: with, and without the management of
524 \emph{virtual load}.  Finally, we tested each configuration with \emph{real},
525 and with \emph{integer} load.
526
527 To summarize the different load balancing strategies, we have:
528 \begin{description}
529 \item[\textbf{strategies:}] \makhoul{}, or \besteffort{} with $k\in
530   \{1,2,4\}$
531 \item[\textbf{variants:}] with, or without virtual load
532 \item[\textbf{domain:}] real load, or integer load
533 \end{description}
534 %
535 This gives us as many as $4\times 2\times 2 = 16$ different strategies.
536
537 \subsubsection{End of the simulation}
538
539 The simulations were run until the load was nearly balanced among the
540 participating nodes.  More precisely the simulation stops when each node holds
541 an amount of load at less than 1\% of the load average, during an arbitrary
542 number of computing iterations (2000 in our case).
543
544 Note that this convergence detection was implemented in a centralized manner.
545 This is easy to do within the simulator, but it's obviously not realistic.  In a
546 real application we would have chosen a decentralized convergence detection
547 algorithm, like the one described by Bahi, Contassot-Vivier, Couturier, and
548 Vernier in \cite{10.1109/TPDS.2005.2}.
549
550 \subsubsection{Platforms}
551
552 In order to show the behavior of the different strategies in different
553 settings, we simulated the executions on two sorts of platforms.  These two
554 sorts of platforms differ by their underlaid network topology.  On the one hand,
555 we have homogeneous platforms, modeled as a cluster.  On the other hand, we have
556 heterogeneous platforms, modeled as the interconnection of a number of clusters.
557
558 The clusters were modeled by a fixed number of computing nodes interconnected
559 through a backbone link.  Each computing node has a computing power of
560 1~GFlop/s, and is connected to the backbone by a network link whose bandwidth is
561 of 125~MB/s, with a latency of 50~$\mu$s.  The backbone has a network bandwidth
562 of 2.25~GB/s, with a latency of 500~$\mu$s.
563
564 The heterogeneous platform descriptions were created by taking a subset of the
565 Grid'5000 infrastructure\footnote{Grid'5000 is a French large scale experimental
566   Grid (see \url{https://www.grid5000.fr/}).}, as described in the platform file
567 \texttt{g5k.xml} distributed with SimGrid.  Note that the heterogeneity of the
568 platform here only comes from the network topology.  Indeed, since our
569 algorithms currently do not handle heterogeneous computing resources, the
570 processor speeds were normalized, and we arbitrarily chose to fix them to
571 1~GFlop/s.
572
573 Then we derived each kind of platform with four different numbers of computing
574 nodes: 16, 64, 256, and 1024 nodes.
575
576 \subsubsection{Configurations}
577
578 The distributed processes of the application were then logically organized along
579 three possible topologies: a line, a torus or an hypercube.  We ran tests where
580 the total load was initially on an only node (at one end for the line topology),
581 and other tests where the load was initially randomly distributed across all the
582 participating nodes.  The total amount of load was fixed to a number of load
583 units equal to 1000 times the number of node.  The average load is then of 1000
584 load units.
585
586 For each of the preceding configuration, we finally had to choose the
587 computation and communication costs of a load unit.  We chose them, such as to
588 have three different computation over communication cost ratios, and hence model
589 three different kinds of applications:
590 \begin{itemize}
591 \item mainly communicating, with a computation/communication cost ratio of $1/10$;
592 \item mainly computing, with a computation/communication cost ratio of $10/1$ ;
593 \item balanced, with a computation/communication cost ratio of $1/1$.
594 \end{itemize}
595
596 To summarize the various configurations, we have:
597 \begin{description}
598 \item[\textbf{platforms:}] homogeneous (cluster), or heterogeneous (subset of
599   Grid'5000)
600 \item[\textbf{platform sizes:}] platforms with 16, 64, 256, or 1024 nodes
601 \item[\textbf{process topologies:}] line, torus, or hypercube
602 \item[\textbf{initial load distribution:}] initially on a only node, or
603   initially randomly distributed over all nodes
604 \item[\textbf{computation/communication cost ratio:}] $10/1$, $1/1$, or $1/10$
605 \end{description}
606 %
607 This gives us as many as $2\times 4\times 3\times 2\times 3 = 144$ different
608 configurations.
609 %
610 Combined with the various load balancing strategies, we had $16\times 144 =
611 2304$ distinct settings to evaluate.  In fact, as it will be shown later, we
612 didn't run all the strategies, nor all the configurations for the bigger
613 platforms with 1024 nodes, since to simulations would have run for a too long
614 time.
615
616 Anyway, all these the experiments represent more than 240 hours of computing
617 time.
618
619 \subsubsection{Metrics}
620 \label{sec.metrics}
621
622 In order to evaluate and compare the different load balancing strategies we had
623 to define several metrics.  Our goal, when choosing these metrics, was to have
624 something tending to a constant value, i.e. to have a measure which is not
625 changing anymore once the convergence state is reached.  Moreover, we wanted to
626 have some normalized value, in order to be able to compare them across different
627 settings.
628
629 With these constraints in mind, we defined the following metrics:
630 %
631 \begin{description}
632 \item[\textbf{average idle time:}] that's the total time spent, when the nodes
633   don't hold any share of load, and thus have nothing to compute.  This total
634   time is divided by the number of participating nodes, such as to have a number
635   that can be compared between simulations of different sizes.
636
637   This metric is expected to give an idea of the ability of the strategy to
638   diffuse the load quickly.  A smaller value is better.
639
640 \item[\textbf{average convergence date:}] that's the average of the dates when
641   all nodes reached the convergence state.  The dates are measured as a number
642   of (simulated) seconds since the beginning of the simulation.
643
644 \item[\textbf{maximum convergence date:}] that's the date when the last node
645   reached the convergence state.
646
647   These two dates give an idea of the time needed by the strategy to reach the
648   equilibrium state.  A smaller value is better.
649
650 \item[\textbf{data transfer amount:}] that's the sum of the amount of all data
651   transfers during the simulation.  This sum is then normalized by dividing it
652   by the total amount of data present in the system.
653
654   This metric is expected to give an idea of the efficiency of the strategy in
655   terms of data movements, i.e. its ability to reach the equilibrium with fewer
656   transfers.  Again, a smaller value is better.
657
658 \end{description}
659
660
661 \subsection{Experimental results}
662 \label{sec.results}
663
664 In this section, the results for the different simulations will be presented,
665 and we will try to explain our observations.
666
667 \subsubsection{Cluster vs grid platforms}
668
669 As mentioned earlier, we simulated the different algorithms on two kinds of
670 physical platforms: clusters and grids.  A first observation that we can make,
671 is that the graphs we draw from the data have a similar aspect for the two kinds
672 of platforms.  The only noticeable difference is that the algorithms need a bit
673 more time to achieve the convergence on the grid platforms, than on clusters.
674 Nevertheless their relative performances remain generally identical.
675
676 This suggests that the relative performances of the different strategies are not
677 influenced by the characteristics of the physical platform.  The differences in
678 the convergence times can be explained by the fact that on the grid platforms,
679 distant sites are interconnected by links of smaller bandwidth.
680
681 Therefore, in the following, we'll only discuss the results for the grid
682 platforms.
683
684 \subsubsection{Main results}
685
686 \begin{figure*}[p]
687   \centering
688   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-line}%
689   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-line}
690   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-torus}%
691   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-torus}
692   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-hcube}%
693   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-hcube}
694   \caption{Real mode, initially on an only mode, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
695   \label{fig.results1}
696 \end{figure*}
697
698 \begin{figure*}[p]
699   \centering
700   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-line}%
701   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-line}
702   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-torus}%
703   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-torus}
704   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-hcube}%
705   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-hcube}
706   \caption{Real mode, random initial distribution, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
707   \label{fig.resultsN}
708 \end{figure*}
709
710 The main results for our simulations on grid platforms are presented on the
711 figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}.
712 %
713 The results on figure~\ref{fig.results1} are when the load to balance is
714 initially on an only node, while the results on figure~\ref{fig.resultsN} are
715 when the load to balance is initially randomly distributed over all nodes.
716
717 On both figures, the computation/communication cost ratio is $10/1$ on the left
718 column, and $1/10$ on the right column.  With a computation/communication cost
719 ratio of $1/1$ the results are just between these two extrema, and definitely
720 don't give additional information, so we chose not to show them here.
721
722 On each of the figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}, the results
723 are given for the process topology being, from top to bottom, a line, a torus or
724 an hypercube.
725
726 Finally, on the graphs, the vertical bars show the measured times for each of
727 the algorithms.  These measured times are, from bottom to top, the average idle
728 time, the average convergence date, and the maximum convergence date (see
729 Section~\ref{sec.metrics}).  The measurements are repeated for the different
730 platform sizes.  Some bars are missing, specially for large platforms.  This is
731 either because the algorithm did not reach the convergence state in the
732 allocated time, or because we simply decided not to run it.
733
734 \FIXME{annoncer le plan de la suite}
735
736 \subsubsection{The \besteffort{} and  \makhoul{} strategies without virtual load}
737
738 Before looking  at the different variations,  we will first show  that the plain
739 \besteffort{}  strategy  is valuable,  and  may be  as  good  as the  \makhoul{}
740 strategy.  On  Figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN},
741 these strategies are respectively labeled ``b'' and ``a''.
742
743 We  can  see  that  the  relative  performance of  these  strategies  is  mainly
744 influenced by  the application topology.  It  is for the line  topology that the
745 difference is the  more important.  In this case,  the \besteffort{} strategy is
746 nearly faster than the \makhoul{} strategy.  This can  be explained by the
747 fact that the \besteffort{} strategy tries to distribute the load fairly between
748 all the nodes  and with the line topology,  it is easy to load  balance the load
749 fairly.
750
751 On the contrary, for the hypercube topology, the \besteffort{} strategy performs
752 worse than the \makhoul{} strategy. In this case, the \makhoul{} strategy which
753 tries to give more load to few neighbors reaches the equilibrium faster.
754
755 For the torus  topology, for which the  number of links is between  the line and
756 the hypercube, the \makhoul{} strategy  is slightly better but the difference is
757 more nuanced when the initial load is  only on one node. The only case where the
758 \makhoul{} strategy is really faster than the \besteffort{} strategy is with the
759 random initial distribution when the communication are slow.
760
761 Globally   the  number  of   interconnection  is   very  important.    The  more
762 the interconnection links are, the  faster the \makhoul{} strategy is because
763 it distributes quickly significant amount of load, even if this is unfair, between
764 all the  neighbors.  In opposition,  the \besteffort{} strategy  distributes the
765 load fairly so this strategy is better for low connected strategy.
766
767
768 \subsubsection{Virtual load}
769
770 The influence of virtual load is most of the time really significant compared to
771 the  same configuration  without  it. Sometimes  it  has no  effect  but {\bf  A
772   VERIFIER} it has never a negative effect on the load balancing we tested.
773
774 On Figure~\ref{fig.results1}, when the load is  initially on one node, it can be
775 noticed that the  average idle times are generally longer  with the virtual load
776 than without  it. This  can be explained  by the  fact that, with  virtual load,
777 processors  will exchange all  the load  they need  to exchange  as soon  as the
778 virtual load has been balanced  between all the processors. So consequently they
779 cannot  compute  at  the  beginning.  This is  especially  noticeable  when  the
780 communication are slow (on the left part of Figure ~\ref{fig.results1}.
781
782 %Dans ce cas  légère amélioration de la cvg. max.  Temps  moyen de cvg. amélioré,
783 %mais plus de temps passé en idle, surtout quand les comms coutent cher.
784
785 %\subsubsection{The \besteffort{} strategy with an initial random load
786 %  distribution, and larger platforms}
787
788 %In 
789 %Mêmes conclusions pour line et hcube.
790 %Sur tore, BE se fait exploser quand les comms coutent cher.
791
792 %\FIXME{virer les 1024 ?}
793
794 %\subsubsection{With the virtual load extension with an initial random load
795 %  distribution}
796
797 %Soit c'est équivalent, soit on gagne -> surtout quand les comms coutent cher et
798 %qu'il y a beaucoup de voisins.
799
800 \subsubsection{The $k$ parameter}
801 \label{results-k}
802
803 As  explained  previously when  the  communication  are  slow the  \besteffort{}
804 strategy is efficient. This is due to the fact that it tries to balance the load
805 fairly and consequently  a significant amount of the  load is transfered between
806 processors.  In this situation, it is possible to reduce the convergence time by
807 using  the leveler  parameter  (parameter  $k$).  The  advantage  of using  this
808 solution is particularly efficient when the initial load is randomly distributed
809 on  the nodes with  torus and  hypercube topology  and slow  communication. When
810 virtual load  mechanism is used,  the effect of  this parameter is  also visible
811 with the same condition.
812
813
814
815 \subsubsection{With integer load}
816
817 We also performed  some experiments with integer load instead  of load with real
818 value.  In  this case, the  results have globally  the same behavior.   The most
819 intereting  result, from  our point  of view,  is that  the virtual  mode allows
820 processors in a line topology to converge to the uniform load balancing. Without
821 the virtual  load, most  of the time,  processors converge  to what we  call the
822 ``stairway effect'', that  is to say that  there is only a difference  of one in
823 the load of each processor and its neighbors (for example with 10 processors, we
824 obtain 10 9 8 7 6 6 7 8 9 10 instead of 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8).
825
826 %Cas normal, ligne -> converge pas (effet d'escalier).
827 %Avec vload, ça converge.
828
829 %Dans les autres cas, résultats similaires au cas réel: redire que vload est
830 %intéressant.
831
832 \FIXME{ajouter une courbe avec l'équilibrage en entier}
833
834 \FIXME{virer la metrique volume de comms}
835
836 \FIXME{ajouter une courbe ou on voit l'évolution de la charge en fonction du
837   temps : avec et sans vload}
838
839 % \begin{itemize}
840 % \item cluster ou grid, entier ou réel, ne font pas de grosses différences
841 % \item bookkeeping? améliore souvent les choses, parfois au prix d'un retard au démarrage
842 % \item makhoul? se fait battre sur les grosses plateformes
843 % \item taille de plateforme?
844 % \item ratio comp/comm?
845 % \item option $k$? peut-être intéressant sur des plateformes fortement interconnectées (hypercube)
846 % \item volume de comm? souvent, besteffort/plain en fait plus. pourquoi?
847 % \item répartition initiale de la charge ?
848 % \item integer mode sur topo. line n'a jamais fini en plain? vérifier si ce n'est
849 %   pas à cause de l'effet d'escalier que bk est capable de gommer.
850 % \end{itemize}}
851
852 % On veut montrer quoi ? :
853
854 % 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
855 % 2) avantage virtual load
856
857 % Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
858 % Topologies variées
859
860
861 % Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
862 % Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
863
864 % Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
865
866 % Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
867
868 % Cadre processeurs homogènes
869
870 % Topologies statiques
871
872 % On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
873
874 % Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
875
876 % Taille : 10 100 très gros
877
878 \section{Conclusion and perspectives}
879
880 \FIXME{conclude!}
881
882 \section*{Acknowledgments}
883
884 Computations have been performed on the supercomputer facilities of the
885 Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
886
887 \bibliographystyle{elsarticle-num}
888 \bibliography{biblio}
889 \FIXME{find and add more references}
890
891 \end{document}
892
893 %%% Local Variables:
894 %%% mode: latex
895 %%% TeX-master: t
896 %%% fill-column: 80
897 %%% ispell-local-dictionary: "american"
898 %%% End:
899
900 % LocalWords:  Raphaël Couturier Arnaud Giersch Franche ij Bertsekas Tsitsiklis
901 % LocalWords:  SimGrid DASUD Comté asynchronism ji ik isend irecv Cortés et al
902 % LocalWords:  chan ctrl fifo Makhoul GFlop xml pre FEMTO Makhoul's fca bdee
903 % LocalWords:  cdde Contassot Vivier underlaid du de Maréchal Juin cedex calcul
904 % LocalWords:  biblio Institut UMR Université UFC Centre Scientifique CNRS des
905 % LocalWords:  École Nationale Supérieure Mécanique Microtechniques ENSMM UTBM
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