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[loba-papers.git] / loba-besteffort / loba-besteffort.tex
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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@femto-st.fr}
44
45 \author{Arnaud Giersch\corref{cor}}
46 \ead{arnaud.giersch@femto-st.fr}
47
48 \address{%
49   Institut FEMTO-ST (UMR 6174),
50   Université de Franche-Comté (UFC),
51   Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS),
52   École Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques (ENSMM),
53   Université de Technologie de Belfort Montbéliard (UTBM)\\
54   19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France}
55
56 \cortext[cor]{Corresponding author.}
57
58 \begin{abstract}
59   Most of the time, asynchronous load balancing algorithms have extensively been
60   studied in a theoretical point of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
61   algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel} is certainly
62   the most well known algorithm for which the convergence proof is given. From a
63   practical point of view, when a node wants to balance a part of its load to
64   some of its neighbors, the strategy is not described.  In this paper, we
65   propose a strategy called \besteffort{} which tries to balance the load
66   of a node to all its less loaded neighbors while ensuring that all the nodes
67   concerned by the load balancing phase have the same amount of load.  Moreover,
68   asynchronous iterative algorithms in which an asynchronous load balancing
69   algorithm is implemented most of the time can dissociate messages concerning
70   load transfers and message concerning load information.  In order to increase
71   the converge of a load balancing algorithm, we propose a simple heuristic
72   called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
73   information message to integrate the load that it will receive later in its
74   load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of
75   its neighbors.  In order to validate our approaches, we have defined a
76   simulator based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
77 \end{abstract}
78
79 % \begin{keywords}
80 %   %% keywords here, in the form: keyword \sep keyword
81 % \end{keywords}
82
83 \end{frontmatter}
84
85 \section{Introduction}
86
87 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
88 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
89 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
90 networks.   They are  iterative by  nature.\FIXME{really?}
91 In  literature many  kinds  of load
92 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
93 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
94 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
95 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
96 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
97 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
98 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
99 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
100 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
101 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
102 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
103 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
104 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
105 version working with integer load.  This work was later generalized by
106 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
107 \FIXME{Rajouter des choses ici.  Lesquelles ?}
108
109 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
110 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
111 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
112 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
113 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \besteffort{}
114 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
115 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
116 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
117 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
118 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
119 from  data  migration  messages.  Former  ones  allow  a  node to  inform  its
120 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
121 quite often.  For example, if a computing iteration takes  a significant times
122 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
123 message to each  neighbor at each iteration. Latter  messages contain data that
124 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
125 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
126 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
127 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
128 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
129 it can take this information into account  and it can consider that its new load
130 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
131 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
132
133 So, in this work, we propose a new strategy to improve the distribution of the
134 load and a simple but efficient trick that also improves the load
135 balancing. Moreover, we have conducted many simulations with SimGrid in order to
136 validate that our improvements are really efficient. Our simulations consider
137 that in order to send a message, a latency delays the sending and according to
138 the network performance and the message size, the time of the reception of the
139 message also varies.
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.
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  send 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 In this case, processor $2$ can either sends load to processor $1$ or processor
202 $3$.  If it sends load to processor $1$ it will not satisfy condition
203 \eqref{eq.ping-pong} because after the sending it will be less loaded that
204 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
205 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
206 condition or with a weaker condition.
207
208 Nevertheless, we conjecture that such a weaker condition exists.  In fact, we
209 have never seen any scenario that is not leading to convergence, even with
210 load-balancing strategies that are not exactly fulfilling these two conditions.
211
212 It may be the subject of future work to express weaker conditions, and to prove
213 that they are sufficient to ensure the convergence of the load-balancing
214 algorithm.
215
216 \section{Best effort strategy}
217 \label{sec.besteffort}
218
219 In this section we describe a new load-balancing strategy that we call
220 \besteffort{}.  First, we explain the general idea behind this strategy,
221 and then we describe some variants of this basic strategy.
222
223 \subsection{Basic strategy}
224
225 The general idea behind the \besteffort{} strategy is that each processor,
226 that detects it has more load than some of its neighbors, sends some load to the
227 most of its less loaded neighbors, doing its best to reach the equilibrium
228 between those neighbors and himself.
229
230 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
231 he proceeds as following.
232 \begin{enumerate}
233 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
234   known loads $x^i_j(t)$.
235
236 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
237   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
238   \begin{itemize}
239   \item the processor's own load, and
240   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
241     processor's load.
242   \end{itemize}
243   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
244   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
245   the processor load:
246   \begin{equation*}
247     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
248       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
249   \end{equation*}
250   The following properties hold:
251   \begin{equation*}
252     \begin{cases}
253       S_i(t) \subset V(i) \\
254       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
255       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
256       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
257       \bar{x} \leq x_i(t)
258     \end{cases}
259   \end{equation*}
260
261 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
262   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
263   \bar{x} - x^i_j(t)$.
264
265   From the above equations, and notably from the definition of
266   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
267   \begin{equation*}
268     \begin{cases}
269       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
270       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
271     \end{cases}
272   \end{equation*}
273 \end{enumerate}
274
275 \subsection{Leveling the amount to send}
276
277 With the aforementioned basic strategy, each node does its best to reach the
278 equilibrium with its neighbors.  Since each node may be taking the same kind of
279 decision at the same moment, there is the risk that a node receives load from
280 several of its neighbors, and then is temporary going off the equilibrium state.
281 This is particularly true with strongly connected applications.
282
283 In order to reduce this effect, we add the ability to level the amount to send.
284 The idea, here, is to make smaller steps toward the equilibrium, such that a
285 potentially wrong decision has a lower impact.
286
287 Concretely, once $s_{ij}$ has been evaluated as before, it is simply divided by
288 some configurable factor.  That's what we named the ``parameter $k$'' in
289 Section~\ref{sec.results}.  The amount of data to send is then $s_{ij}(t) =
290 (\bar{x} - x^i_j(t))/k$.
291 \FIXME[check that it's still named $k$ in Sec.~\ref{sec.results}]{}
292
293 \section{Other strategies}
294 \label{sec.other}
295
296 Another load balancing strategy, working under the same conditions, was
297 previously developed by Bahi, Giersch, and Makhoul in
298 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.  In order to assess the performances
299 of the new \besteffort{}, we naturally chose to compare it to this anterior
300 work.  More precisely, we will use the algorithm~2 from
301 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable} and, in the following, we will
302 reference it under the name of Makhoul's.
303
304 Here is an outline of the Makhoul's algorithm.  When a given node needs to take
305 a load balancing decision, it starts by sorting its neighbors by increasing
306 order of their load.  Then, it computes the difference between its own load, and
307 the load of each of its neighbors.  Finally, taking the neighbors following the
308 order defined before, the amount of load to send $s_{ij}$ is computed as
309 $1/(n+1)$ of the load difference, with $n$ being the number of neighbors.  This
310 process continues as long as the node is more loaded than the considered
311 neighbor.
312
313
314 \section{Virtual load}
315 \label{sec.virtual-load}
316
317 In this section,  we present the concept of \emph{virtual load}.  In order to
318 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
319 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
320 precisely, a node wanting to send a part of its load to one of its neighbors
321 can first send a load information message containing the load it will send, and
322 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
323 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
324 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
325 require more time to be transferred.
326
327 The  concept  of  \emph{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
328 information message to integrate the load that it will receive later in its load
329 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
330 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
331 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
332 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
333 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
334 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
335 balancing message.
336
337 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
338 information of the load they will receive, so they can take it into account.
339
340 \FIXME{Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?}
341
342 \FIXME{describe integer mode}
343
344 \section{Simulations}
345 \label{sec.simulations}
346
347 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
348 using the SimGrid
349 framework~\cite{simgrid.web,casanova+giersch+legrand+al.2014.simgrid}.  This
350 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
351 the different load-balancing strategies under various parameters, such
352 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
353 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
354 are issued that permit to compare the strategies.
355
356 The simulation model is detailed in the next section (\ref{sec.model}), and the
357 experimental contexts are described in section~\ref{sec.exp-context}.  Then the
358 results of the simulations are presented in section~\ref{sec.results}.
359
360 \subsection{Simulation model}
361 \label{sec.model}
362
363 In the simulation model the processors exchange messages which are of
364 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
365 information that is exchanged between the processors, such as the
366 current load, or the virtual load transfers if this option is
367 selected.  These messages are rather small, and their size is
368 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
369 load transferred between the processors.  The size of a data message
370 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
371 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
372 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
373 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
374 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
375   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
376
377 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
378 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
379 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
380
381 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
382 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
383 actual source code that was used for the experiments%
384 \footnote{As mentioned before, our simulator relies on the SimGrid
385   framework~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.simgrid}.  For the
386   experiments, we used a pre-release of SimGrid 3.7 (Git commit
387   67d62fca5bdee96f590c942b50021cdde5ce0c07, available from
388   \url{https://gforge.inria.fr/scm/?group_id=12})}, and which is
389 available at
390 \url{http://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/staff/giersch/software/loba.tar.gz}.
391
392 \subsubsection{Receiving thread}
393
394 The receiving thread is in charge of waiting for messages to come, either on the
395 control channel, or on the data channel.  Its behavior is sketched by
396 Algorithm~\ref{algo.recv}.  When a message is received, it is pushed in a buffer
397 of received message, to be later consumed by one of the other threads.  There
398 are two such buffers, one for the control messages, and one for the data
399 messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
400 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
401
402 \begin{algorithm}
403   \caption{Receiving thread}
404   \label{algo.recv}
405   \KwData{
406     \begin{algodata}
407       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
408       & communication channels (control and data) \\
409       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
410       & buffers of received messages (control and data) \\
411     \end{algodata}}
412   \While{true}{%
413     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
414     or \VAR{data\_chan}\;
415     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
416       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
417     }
418     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
419       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
420     }
421   }
422 \end{algorithm}
423
424 \subsubsection{Computing thread}
425
426 The computing thread is in charge of the real load management.  As exposed in
427 Algorithm~\ref{algo.comp}, it iteratively runs the following operations:
428 \begin{itemize}
429 \item if some load was received from the neighbors, get it;
430 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
431 \item run some computation, whose duration is function of the current
432   load of the processor.
433 \end{itemize}
434 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
435 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
436 example, when the current load is near zero).
437
438 \begin{algorithm}
439   \caption{Computing thread}
440   \label{algo.comp}
441   \KwData{
442     \begin{algodata}
443       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
444       \VAR{real\_load} & current load \\
445     \end{algodata}}
446   \While{true}{%
447     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
448       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
449     }
450     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
451       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
452       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
453     }
454     \ForEach{neighbor $n$}{%
455       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
456         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
457       }
458     }
459     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
460       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
461       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
462     }
463   }
464 \end{algorithm}
465
466 \subsubsection{Load-balancing thread}
467
468 The load-balancing thread is in charge of running the load-balancing algorithm,
469 and exchange the control messages.  As shown in Algorithm~\ref{algo.lb}, it
470 iteratively runs the following operations:
471 \begin{itemize}
472 \item get the control messages that were received from the neighbors;
473 \item run the load-balancing algorithm;
474 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
475   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
476 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
477   iterate too fast.
478 \end{itemize}
479
480 \begin{algorithm}
481   \caption{Load-balancing}
482   \label{algo.lb}
483   \While{true}{%
484     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
485       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
486       identify the sender of the message,
487       and update the current knowledge of its load\;
488     }
489     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
490     \ForEach{neighbor $n$}{%
491       send a control messages to $n$\;
492     }
493     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
494   }
495 \end{algorithm}
496
497 \paragraph{}\FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?
498   par ex, donner l'idée générale de l'implémentation.  l'idée générale est déja
499   décrite en section~\ref{sec.virtual-load}}
500
501 \subsection{Experimental contexts}
502 \label{sec.exp-context}
503
504 In order to assess the performances of our algorithms, we ran our
505 simulator with various parameters, and extracted several metrics, that
506 we will describe in this section.
507
508 \subsubsection{Load balancing strategies}
509
510 Several load balancing strategies were compared.  We ran the experiments with
511 the \besteffort{}, and with the \makhoul{} strategies.  \emph{Best
512   effort} was tested with parameter $k = 1$, $k = 2$, and $k = 4$.  Secondly,
513 each strategy was run in its two variants: with, and without the management of
514 \emph{virtual load}.  Finally, we tested each configuration with \emph{real},
515 and with \emph{integer} load.
516
517 To summarize the different load balancing strategies, we have:
518 \begin{description}
519 \item[\textbf{strategies:}] \makhoul{}, or \besteffort{} with $k\in
520   \{1,2,4\}$
521 \item[\textbf{variants:}] with, or without virtual load
522 \item[\textbf{domain:}] real load, or integer load
523 \end{description}
524 %
525 This gives us as many as $4\times 2\times 2 = 16$ different strategies.
526
527 \subsubsection{End of the simulation}
528
529 The simulations were run until the load was nearly balanced among the
530 participating nodes.  More precisely the simulation stops when each node holds
531 an amount of load at less than 1\% of the load average, during an arbitrary
532 number of computing iterations (2000 in our case).
533
534 Note that this convergence detection was implemented in a centralized manner.
535 This is easy to do within the simulator, but it's obviously not realistic.  In a
536 real application we would have chosen a decentralized convergence detection
537 algorithm, like the one described by Bahi, Contassot-Vivier, Couturier, and
538 Vernier in \cite{10.1109/TPDS.2005.2}.
539
540 \subsubsection{Platforms}
541
542 In order to show the behavior of the different strategies in different
543 settings, we simulated the executions on two sorts of platforms.  These two
544 sorts of platforms differ by their underlaid network topology.  On the one hand,
545 we have homogeneous platforms, modeled as a cluster.  On the other hand, we have
546 heterogeneous platforms, modeled as the interconnection of a number of clusters.
547
548 The clusters were modeled by a fixed number of computing nodes interconnected
549 through a backbone link.  Each computing node has a computing power of
550 1~GFlop/s, and is connected to the backbone by a network link whose bandwidth is
551 of 125~MB/s, with a latency of 50~$\mu$s.  The backbone has a network bandwidth
552 of 2.25~GB/s, with a latency of 500~$\mu$s.
553
554 The heterogeneous platform descriptions were created by taking a subset of the
555 Grid'5000 infrastructure\footnote{Grid'5000 is a French large scale experimental
556   Grid (see \url{https://www.grid5000.fr/}).}, as described in the platform file
557 \texttt{g5k.xml} distributed with SimGrid.  Note that the heterogeneity of the
558 platform here only comes from the network topology.  Indeed, since our
559 algorithms currently do not handle heterogeneous computing resources, the
560 processor speeds were normalized, and we arbitrarily chose to fix them to
561 1~GFlop/s.
562
563 Then we derived each kind of platform with four different numbers of computing
564 nodes: 16, 64, 256, and 1024 nodes.
565
566 \subsubsection{Configurations}
567
568 The distributed processes of the application were then logically organized along
569 three possible topologies: a line, a torus or an hypercube.  We ran tests where
570 the total load was initially on an only node (at one end for the line topology),
571 and other tests where the load was initially randomly distributed across all the
572 participating nodes.  The total amount of load was fixed to a number of load
573 units equal to 1000 times the number of node.  The average load is then of 1000
574 load units.
575
576 For each of the preceding configuration, we finally had to choose the
577 computation and communication costs of a load unit.  We chose them, such as to
578 have three different computation over communication cost ratios, and hence model
579 three different kinds of applications:
580 \begin{itemize}
581 \item mainly communicating, with a computation/communication cost ratio of $1/10$;
582 \item mainly computing, with a computation/communication cost ratio of $10/1$ ;
583 \item balanced, with a computation/communication cost ratio of $1/1$.
584 \end{itemize}
585
586 To summarize the various configurations, we have:
587 \begin{description}
588 \item[\textbf{platforms:}] homogeneous (cluster), or heterogeneous (subset of
589   Grid'5000)
590 \item[\textbf{platform sizes:}] platforms with 16, 64, 256, or 1024 nodes
591 \item[\textbf{process topologies:}] line, torus, or hypercube
592 \item[\textbf{initial load distribution:}] initially on a only node, or
593   initially randomly distributed over all nodes
594 \item[\textbf{computation/communication cost ratio:}] $10/1$, $1/1$, or $1/10$
595 \end{description}
596 %
597 This gives us as many as $2\times 4\times 3\times 2\times 3 = 144$ different
598 configurations.
599 %
600 Combined with the various load balancing strategies, we had $16\times 144 =
601 2304$ distinct settings to evaluate.  In fact, as it will be shown later, we
602 didn't run all the strategies, nor all the configurations for the bigger
603 platforms with 1024 nodes, since to simulations would have run for a too long
604 time.
605
606 Anyway, all these the experiments represent more than 240 hours of computing
607 time.
608
609 \subsubsection{Metrics}
610 \label{sec.metrics}
611
612 In order to evaluate and compare the different load balancing strategies we had
613 to define several metrics.  Our goal, when choosing these metrics, was to have
614 something tending to a constant value, i.e. to have a measure which is not
615 changing anymore once the convergence state is reached.  Moreover, we wanted to
616 have some normalized value, in order to be able to compare them across different
617 settings.
618
619 With these constraints in mind, we defined the following metrics:
620 %
621 \begin{description}
622 \item[\textbf{average idle time:}] that's the total time spent, when the nodes
623   don't hold any share of load, and thus have nothing to compute.  This total
624   time is divided by the number of participating nodes, such as to have a number
625   that can be compared between simulations of different sizes.
626
627   This metric is expected to give an idea of the ability of the strategy to
628   diffuse the load quickly.  A smaller value is better.
629
630 \item[\textbf{average convergence date:}] that's the average of the dates when
631   all nodes reached the convergence state.  The dates are measured as a number
632   of (simulated) seconds since the beginning of the simulation.
633
634 \item[\textbf{maximum convergence date:}] that's the date when the last node
635   reached the convergence state.
636
637   These two dates give an idea of the time needed by the strategy to reach the
638   equilibrium state.  A smaller value is better.
639
640 \item[\textbf{data transfer amount:}] that's the sum of the amount of all data
641   transfers during the simulation.  This sum is then normalized by dividing it
642   by the total amount of data present in the system.
643
644   This metric is expected to give an idea of the efficiency of the strategy in
645   terms of data movements, i.e. its ability to reach the equilibrium with fewer
646   transfers.  Again, a smaller value is better.
647
648 \end{description}
649
650
651 \subsection{Experimental results}
652 \label{sec.results}
653
654 In this section, the results for the different simulations will be presented,
655 and we will try to explain our observations.
656
657 \subsubsection{Cluster vs grid platforms}
658
659 As mentioned earlier, we simulated the different algorithms on two kinds of
660 physical platforms: clusters and grids.  A first observation that we can make,
661 is that the graphs we draw from the data have a similar aspect for the two kinds
662 of platforms.  The only noticeable difference is that the algorithms need a bit
663 more time to achieve the convergence on the grid platforms, than on clusters.
664 Nevertheless their relative performances remain generally identical.
665
666 This suggests that the relative performances of the different strategies are not
667 influenced by the characteristics of the physical platform.  The differences in
668 the convergence times can be explained by the fact that on the grid platforms,
669 distant sites are interconnected by links of smaller bandwidth.
670
671 Therefore, in the following, we'll only discuss the results for the grid
672 platforms.
673
674 \subsubsection{Main results}
675
676 \begin{figure*}[p]
677   \centering
678   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-line}%
679   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-line}
680   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-torus}%
681   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-torus}
682   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-hcube}%
683   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-hcube}
684   \caption{Real mode, initially on an only mode, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
685   \label{fig.results1}
686 \end{figure*}
687
688 \begin{figure*}[p]
689   \centering
690   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-line}%
691   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-line}
692   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-torus}%
693   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-torus}
694   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-hcube}%
695   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-hcube}
696   \caption{Real mode, random initial distribution, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
697   \label{fig.resultsN}
698 \end{figure*}
699
700 The main results for our simulations on grid platforms are presented on the
701 figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}.
702 %
703 The results on figure~\ref{fig.results1} are when the load to balance is
704 initially on an only node, while the results on figure~\ref{fig.resultsN} are
705 when the load to balance is initially randomly distributed over all nodes.
706
707 On both figures, the computation/communication cost ratio is $10/1$ on the left
708 column, and $1/10$ on the right column.  With a computation/communication cost
709 ratio of $1/1$ the results are just between these two extrema, and definitely
710 don't give additional information, so we chose not to show them here.
711
712 On each of the figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}, the results
713 are given for the process topology being, from top to bottom, a line, a torus or
714 an hypercube.
715
716 Finally, on the graphs, the vertical bars show the measured times for each of
717 the algorithms.  These measured times are, from bottom to top, the average idle
718 time, the average convergence date, and the maximum convergence date (see
719 Section~\ref{sec.metrics}).  The measurements are repeated for the different
720 platform sizes.  Some bars are missing, specially for large platforms.  This is
721 either because the algorithm did not reach the convergence state in the
722 allocated time, or because we simply decided not to run it.
723
724 \FIXME{annoncer le plan de la suite}
725
726 \subsubsection{The \besteffort{} and  \makhoul{} strategies without virtual load}
727
728 Before looking  at the different variations,  we will first show  that the plain
729 \besteffort{}  strategy  is valuable,  and  may be  as  good  as the  \makhoul{}
730 strategy.  On  Figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN},
731 these strategies are respectively labeled ``b'' and ``a''.
732
733 We  can  see  that  the  relative  performance of  these  strategies  is  mainly
734 influenced by  the application topology.  It  is for the line  topology that the
735 difference is the  more important.  In this case,  the \besteffort{} strategy is
736 nearly faster than the \makhoul{} strategy.  This can  be explained by the
737 fact that the \besteffort{} strategy tries to distribute the load fairly between
738 all the nodes  and with the line topology,  it is easy to load  balance the load
739 fairly.
740
741 On the contrary, for the hypercube topology, the \besteffort{} strategy performs
742 worse than the \makhoul{} strategy. In this case, the \makhoul{} strategy which
743 tries to give more load to few neighbors reaches the equilibrium faster.
744
745 For the torus  topology, for which the  number of links is between  the line and
746 the hypercube, the \makhoul{} strategy  is slightly better but the difference is
747 more nuanced when the initial load is  only on one node. The only case where the
748 \makhoul{} strategy is really faster than the \besteffort{} strategy is with the
749 random initial distribution when the communication are slow.
750
751 Globally   the  number  of   interconnection  is   very  important.    The  more
752 the interconnection links are, the  faster the \makhoul{} strategy is because
753 it distributes quickly significant amount of load, even if this is unfair, between
754 all the  neighbors.  In opposition,  the \besteffort{} strategy  distributes the
755 load fairly so this strategy is better for low connected strategy.
756
757
758 \subsubsection{Virtual load}
759
760 The influence of virtual load is most of the time really significant compared to
761 the  same configuration  without  it. Sometimes  it  has no  effect  but {\bf  A
762   VERIFIER} it has never a negative effect on the load balancing we tested.
763
764 On Figure~\ref{fig.results1}, when the load is  initially on one node, it can be
765 noticed that the  average idle times are generally longer  with the virtual load
766 than without  it. This  can be explained  by the  fact that, with  virtual load,
767 processors  will exchange all  the load  they need  to exchange  as soon  as the
768 virtual load has been balanced  between all the processors. So consequently they
769 cannot  compute  at  the  beginning.  This is  especially  noticeable  when  the
770 communication are slow (on the left part of Figure ~\ref{fig.results1}.
771
772 %Dans ce cas  légère amélioration de la cvg. max.  Temps  moyen de cvg. amélioré,
773 %mais plus de temps passé en idle, surtout quand les comms coutent cher.
774
775 %\subsubsection{The \besteffort{} strategy with an initial random load
776 %  distribution, and larger platforms}
777
778 %In 
779 %Mêmes conclusions pour line et hcube.
780 %Sur tore, BE se fait exploser quand les comms coutent cher.
781
782 %\FIXME{virer les 1024 ?}
783
784 %\subsubsection{With the virtual load extension with an initial random load
785 %  distribution}
786
787 %Soit c'est équivalent, soit on gagne -> surtout quand les comms coutent cher et
788 %qu'il y a beaucoup de voisins.
789
790 \subsubsection{The $k$ parameter}
791 \label{results-k}
792
793 As  explained  previously when  the  communication  are  slow the  \besteffort{}
794 strategy is efficient. This is due to the fact that it tries to balance the load
795 fairly and consequently  a significant amount of the  load is transfered between
796 processors.  In this situation, it is possible to reduce the convergence time by
797 using  the leveler  parameter  (parameter  $k$).  The  advantage  of using  this
798 solution is particularly efficient when the initial load is randomly distributed
799 on  the nodes with  torus and  hypercube topology  and slow  communication. When
800 virtual load  mechanism is used,  the effect of  this parameter is  also visible
801 with the same condition.
802
803
804
805 \subsubsection{With integer load}
806
807 We also performed  some experiments with integer load instead  of load with real
808 value.  In  this case, the  results have globally  the same behavior.   The most
809 intereting  result, from  our point  of view,  is that  the virtual  mode allows
810 processors in a line topology to converge to the uniform load balancing. Without
811 the virtual  load, most  of the time,  processors converge  to what we  call the
812 ``stairway effect'', that  is to say that  there is only a difference  of one in
813 the load of each processor and its neighbors (for example with 10 processors, we
814 obtain 10 9 8 7 6 6 7 8 9 10 instead of 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8).
815
816 %Cas normal, ligne -> converge pas (effet d'escalier).
817 %Avec vload, ça converge.
818
819 %Dans les autres cas, résultats similaires au cas réel: redire que vload est
820 %intéressant.
821
822 \FIXME{ajouter une courbe avec l'équilibrage en entier}
823
824 \FIXME{virer la metrique volume de comms}
825
826 \FIXME{ajouter une courbe ou on voit l'évolution de la charge en fonction du
827   temps : avec et sans vload}
828
829 % \begin{itemize}
830 % \item cluster ou grid, entier ou réel, ne font pas de grosses différences
831 % \item bookkeeping? améliore souvent les choses, parfois au prix d'un retard au démarrage
832 % \item makhoul? se fait battre sur les grosses plateformes
833 % \item taille de plateforme?
834 % \item ratio comp/comm?
835 % \item option $k$? peut-être intéressant sur des plateformes fortement interconnectées (hypercube)
836 % \item volume de comm? souvent, besteffort/plain en fait plus. pourquoi?
837 % \item répartition initiale de la charge ?
838 % \item integer mode sur topo. line n'a jamais fini en plain? vérifier si ce n'est
839 %   pas à cause de l'effet d'escalier que bk est capable de gommer.
840 % \end{itemize}}
841
842 % On veut montrer quoi ? :
843
844 % 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
845 % 2) avantage virtual load
846
847 % Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
848 % Topologies variées
849
850
851 % Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
852 % Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
853
854 % Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
855
856 % Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
857
858 % Cadre processeurs homogènes
859
860 % Topologies statiques
861
862 % On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
863
864 % Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
865
866 % Taille : 10 100 très gros
867
868 \section{Conclusion and perspectives}
869
870 \FIXME{conclude!}
871
872 \section*{Acknowledgments}
873
874 Computations have been performed on the supercomputer facilities of the
875 Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
876
877 \bibliographystyle{elsarticle-num}
878 \bibliography{biblio}
879 \FIXME{find and add more references}
880
881 \end{document}
882
883 %%% Local Variables:
884 %%% mode: latex
885 %%% TeX-master: t
886 %%% fill-column: 80
887 %%% ispell-local-dictionary: "american"
888 %%% End:
889
890 % LocalWords:  Raphaël Couturier Arnaud Giersch Franche ij Bertsekas Tsitsiklis
891 % LocalWords:  SimGrid DASUD Comté asynchronism ji ik isend irecv Cortés et al
892 % LocalWords:  chan ctrl fifo Makhoul GFlop xml pre FEMTO Makhoul's fca bdee
893 % LocalWords:  cdde Contassot Vivier underlaid du de Maréchal Juin cedex calcul
894 % LocalWords:  biblio Institut UMR Université UFC Centre Scientifique CNRS des
895 % LocalWords:  École Nationale Supérieure Mécanique Microtechniques ENSMM UTBM
896 % LocalWords:  Technologie Bahi