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14
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16 \newcommand{\FIXMEmargin}[1]{%
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18 \newcommand{\FIXME}[2][]{%
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23
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26   \end{tabular}}
27
28 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
29
30 \begin{document}
31
32 \begin{frontmatter}
33
34 \journal{Parallel Computing}
35
36 \title{Best effort strategy and virtual load for\\
37   asynchronous iterative load balancing}
38
39 \author{Raphaël Couturier}
40 \ead{raphael.couturier@femto-st.fr}
41
42 \author{Arnaud Giersch\corref{cor}}
43 \ead{arnaud.giersch@femto-st.fr}
44
45 \address{FEMTO-ST, University of Franche-Comté\\
46  19 avenue de Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex , France\\
47   % Tel.: +123-45-678910\\
48   % Fax: +123-45-678910\\
49 }
50
51 \cortext[cor]{Corresponding author.}
52
53 \begin{abstract}
54   Most of the time, asynchronous load balancing algorithms have extensively been
55   studied in a theoretical point of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
56   algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel} is certainly
57   the most well known algorithm for which the convergence proof is given. From a
58   practical point of view, when a node wants to balance a part of its load to
59   some of its neighbors, the strategy is not described.  In this paper, we
60   propose a strategy called \emph{best effort} which tries to balance the load
61   of a node to all its less loaded neighbors while ensuring that all the nodes
62   concerned by the load balancing phase have the same amount of load.  Moreover,
63   asynchronous iterative algorithms in which an asynchronous load balancing
64   algorithm is implemented most of the time can dissociate messages concerning
65   load transfers and message concerning load information.  In order to increase
66   the converge of a load balancing algorithm, we propose a simple heuristic
67   called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
68   information message to integrate the load that it will receive later in its
69   load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of
70   its neighbors.  In order to validate our approaches, we have defined a
71   simulator based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
72 \end{abstract}
73
74 % \begin{keywords}
75 %   %% keywords here, in the form: keyword \sep keyword
76 % \end{keywords}
77
78 \end{frontmatter}
79
80 \section{Introduction}
81
82 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
83 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
84 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
85 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
86 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
87 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
88 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
89 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
90 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
91 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
92 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
93 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
94 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
95 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
96 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
97 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
98 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
99 version working with integer load.  This work was later generalized by
100 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
101 \FIXME{Rajouter des choses ici.  Lesquelles ?}
102
103 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
104 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
105 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
106 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
107 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \emph{best effort}
108 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
109 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
110 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
111 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
112 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
113 from  data  migration  messages.  Former  ones  allows  a  node to  inform  its
114 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
115 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
116 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
117 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
118 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
119 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
120 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
121 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
122 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
123 it can take this information into account  and it can consider that its new load
124 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
125 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
126
127
128
129 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
130 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
131 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
132 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
133 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
134 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
135 message also varies.
136
137 In the following of this paper, Section~\ref{sec.bt-algo} describes the
138 Bertsekas and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm. Moreover, we
139 present a possible problem in the convergence conditions.
140 Section~\ref{sec.besteffort} presents the best effort strategy which provides an
141 efficient way to reduce the execution times.  This strategy will be compared
142 with other ones, presented in Section~\ref{sec.other}.  In
143 Section~\ref{sec.virtual-load}, the virtual load mechanism is proposed.
144 Simulations allowed to show that both our approaches are valid using a quite
145 realistic model detailed in Section~\ref{sec.simulations}.  Finally we give a
146 conclusion and some perspectives to this work.
147
148
149
150 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
151 \label{sec.bt-algo}
152
153 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
154 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
155 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
156 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
157 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
158 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
159 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
160 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
161 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
162 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
163 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
164 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
165 consider that the load is described by a continuous variable.
166
167 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
168 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
169 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
170 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
171 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
172 \begin{equation}
173 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
174 \label{eq.ping-pong}
175 \end{equation}
176
177
178 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
179 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
180 \begin{equation}
181 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
182 \end{equation}
183 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
184 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
185 less loaded after that.
186
187 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
188 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
189 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
190 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
191 \begin{eqnarray*}
192 x_1(t)=10   \\
193 x_2(t)=100   \\
194 x_3(t)=99.99\\
195  x_3^2(t)=99.99\\
196 \end{eqnarray*}
197 In this case, processor $2$ can either sends load to processor $1$ or processor
198 $3$.  If it sends load to processor $1$ it will not satisfy condition
199 (\ref{eq.ping-pong}) because after the sending it will be less loaded that
200 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
201 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
202 condition or with a weaker condition.
203
204 Nevertheless, we conjecture that such a weaker condition exists.  In fact, we
205 have never seen any scenario that is not leading to convergence, even with
206 load-balancing strategies that are not exactly fulfilling these two conditions.
207
208 It may be the subject of future work to express weaker conditions, and to prove
209 that they are sufficient to ensure the convergence of the load-balancing
210 algorithm.
211
212 \section{Best effort strategy}
213 \label{sec.besteffort}
214
215 In this section we describe a new load-balancing strategy that we call
216 \emph{best effort}.  First, we explain the general idea behind this strategy,
217 and then we describe some variants of this basic strategy.
218
219 \subsection{Basic strategy}
220
221 The general idea behind the \emph{best effort} strategy is that each processor,
222 that detects it has more load than some of its neighbors, sends some load to the
223 most of its less loaded neighbors, doing its best to reach the equilibrium
224 between those neighbors and himself.
225
226 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
227 he proceeds as following.
228 \begin{enumerate}
229 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
230   known loads $x^i_j(t)$.
231
232 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
233   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
234   \begin{itemize}
235   \item the processor's own load, and
236   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
237     processor's load.
238   \end{itemize}
239   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
240   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
241   the processor load:
242   \begin{equation*}
243     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
244       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
245   \end{equation*}
246   The following properties hold:
247   \begin{equation*}
248     \begin{cases}
249       S_i(t) \subset V(i) \\
250       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
251       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
252       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
253       \bar{x} \leq x_i(t)
254     \end{cases}
255   \end{equation*}
256
257 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
258   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
259   \bar{x} - x^i_j(t)$.
260
261   From the above equations, and notably from the definition of
262   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
263   \begin{equation*}
264     \begin{cases}
265       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
266       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
267     \end{cases}
268   \end{equation*}
269 \end{enumerate}
270
271 \subsection{Leveling the amount to send}
272
273 With the aforementioned basic strategy, each node does its best to reach the
274 equilibrium with its neighbors.  Since each node may be taking the same kind of
275 decision at the same moment, there is the risk that a node receives load from
276 several of its neighbors, and then is temporary going off the equilibrium state.
277 This is particularly true with strongly connected applications.
278
279 In order to reduce this effect, we add the ability to level the amount to send.
280 The idea, here, is to make smaller steps toward the equilibrium, such that a
281 potentially wrong decision has a lower impact.
282
283 Concretely, once $s_{ij}$ has been evaluated as before, it is simply divided by
284 some configurable factor.  That's what we named the ``parameter $k$'' in
285 Section~\ref{sec.results}.  The amount of data to send is then $s_{ij}(t) =
286 (\bar{x} - x^i_j(t))/k$.
287 \FIXME[check that it's still named $k$ in Sec.~\ref{sec.results}]{}
288
289 \section{Other strategies}
290 \label{sec.other}
291
292 Another load balancing strategy, working under the same conditions, was
293 previously developed by Bahi, Giersch, and Makhoul in
294 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.  In order to assess the performances
295 of the new \emph{best effort}, we naturally chose to compare it to this anterior
296 work.  More precisely, we will use the algorithm~2 from
297 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable} and, in the following, we will
298 reference it under the name of Makhoul's.
299
300 Here is an outline of the Makhoul's algorithm.  When a given node needs to take
301 a load balancing decision, it starts by sorting its neighbors by increasing
302 order of their load.  Then, it computes the difference between its own load, and
303 the load of each of its neighbors.  Finally, taking the neighbors following the
304 order defined before, the amount of load to send $s_{ij}$ is computed as
305 $1/(N+1)$ of the load difference, with $N$ being the number of neighbors.  This
306 process continues as long as the node is more loaded than the considered
307 neighbor.
308
309
310 \section{Virtual load}
311 \label{sec.virtual-load}
312
313 In this section,  we present the concept of \emph{virtual load}.  In order to
314 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
315 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
316 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
317 can first send  a load information message containing the load  it will send and
318 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
319 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
320 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
321 require more time to be transferred.
322
323 The  concept  of  \emph{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
324 information message to integrate the load that it will receive later in its load
325 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
326 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
327 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
328 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
329 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
330 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
331 balancing message.
332
333 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
334 information of the load they will receive, so they can take in into account.
335
336 \FIXME{Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?}
337
338 \FIXME{describe integer mode}
339
340 \section{Simulations}
341 \label{sec.simulations}
342
343 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
344 using the SimGrid
345 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
346 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
347 the different load-balancing strategies under various parameters, such
348 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
349 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
350 are issued that permit to compare the strategies.
351
352 The simulation model is detailed in the next section (\ref{sec.model}), and the
353 experimental contexts are described in section~\ref{sec.exp-context}.  Then the
354 results of the simulations are presented in section~\ref{sec.results}.
355
356 \subsection{Simulation model}
357 \label{sec.model}
358
359 In the simulation model the processors exchange messages which are of
360 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
361 information that is exchanged between the processors, such as the
362 current load, or the virtual load transfers if this option is
363 selected.  These messages are rather small, and their size is
364 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
365 load transferred between the processors.  The size of a data message
366 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
367 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
368 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
369 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
370 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
371   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
372
373 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
374 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
375 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
376
377 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
378 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
379 actual source code that was used for the experiments%
380 \footnote{As mentioned before, our simulator relies on the SimGrid
381   framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  For the
382   experiments, we used a pre-release of SimGrid 3.7 (Git commit
383   67d62fca5bdee96f590c942b50021cdde5ce0c07, available from
384   \url{https://gforge.inria.fr/scm/?group_id=12})}, and which is
385 available at
386 \url{http://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/staff/giersch/software/loba.tar.gz}.
387
388 \subsubsection{Receiving thread}
389
390 The receiving thread is in charge of waiting for messages to come, either on the
391 control channel, or on the data channel.  Its behavior is sketched by
392 Algorithm~\ref{algo.recv}.  When a message is received, it is pushed in a buffer
393 of received message, to be later consumed by one of the other threads.  There
394 are two such buffers, one for the control messages, and one for the data
395 messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
396 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
397
398 \begin{algorithm}
399   \caption{Receiving thread}
400   \label{algo.recv}
401   \KwData{
402     \begin{algodata}
403       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
404       & communication channels (control and data) \\
405       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
406       & buffers of received messages (control and data) \\
407     \end{algodata}}
408   \While{true}{%
409     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
410     or \VAR{data\_chan}\;
411     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
412       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
413     }
414     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
415       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
416     }
417   }
418 \end{algorithm}
419
420 \subsubsection{Computing thread}
421
422 The computing thread is in charge of the real load management.  As exposed in
423 Algorithm~\ref{algo.comp}, it iteratively runs the following operations:
424 \begin{itemize}
425 \item if some load was received from the neighbors, get it;
426 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
427 \item run some computation, whose duration is function of the current
428   load of the processor.
429 \end{itemize}
430 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
431 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
432 example, when the current load is near zero).
433
434 \begin{algorithm}
435   \caption{Computing thread}
436   \label{algo.comp}
437   \KwData{
438     \begin{algodata}
439       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
440       \VAR{real\_load} & current load \\
441     \end{algodata}}
442   \While{true}{%
443     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
444       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
445     }
446     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
447       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
448       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
449     }
450     \ForEach{neighbor $n$}{%
451       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
452         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
453       }
454     }
455     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
456       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
457       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
458     }
459   }
460 \end{algorithm}
461
462 \subsubsection{Load-balancing thread}
463
464 The load-balancing thread is in charge of running the load-balancing algorithm,
465 and exchange the control messages.  As shown in Algorithm~\ref{algo.lb}, it
466 iteratively runs the following operations:
467 \begin{itemize}
468 \item get the control messages that were received from the neighbors;
469 \item run the load-balancing algorithm;
470 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
471   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
472 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
473   iterate too fast.
474 \end{itemize}
475
476 \begin{algorithm}
477   \caption{Load-balancing}
478   \label{algo.lb}
479   \While{true}{%
480     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
481       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
482       identify the sender of the message,
483       and update the current knowledge of its load\;
484     }
485     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
486     \ForEach{neighbor $n$}{%
487       send a control messages to $n$\;
488     }
489     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
490   }
491 \end{algorithm}
492
493 \paragraph{}\FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?
494   par ex, donner l'idée générale de l'implémentation.  l'idée générale est déja
495   décrite en section~\ref{sec.virtual-load}}
496
497 \subsection{Experimental contexts}
498 \label{sec.exp-context}
499
500 In order to assess the performances of our algorithms, we ran our
501 simulator with various parameters, and extracted several metrics, that
502 we will describe in this section.
503
504 \subsubsection{Load balancing strategies}
505
506 Several load balancing strategies were compared.  We ran the experiments with
507 the \emph{Best effort}, and with the \emph{Makhoul} strategies.  \emph{Best
508   effort} was tested with parameter $k = 1$, $k = 2$, and $k = 4$.  Secondly,
509 each strategy was run in its two variants: with, and without the management of
510 \emph{virtual load}.  Finally, we tested each configuration with \emph{real},
511 and with \emph{integer} load.
512
513 To summarize the different load balancing strategies, we have:
514 \begin{description}
515 \item[\textbf{strategies:}] \emph{Makhoul}, or \emph{Best effort} with $k\in
516   \{1,2,4\}$
517 \item[\textbf{variants:}] with, or without virtual load
518 \item[\textbf{domain:}] real load, or integer load
519 \end{description}
520 %
521 This gives us as many as $4\times 2\times 2 = 16$ different strategies.
522
523 \subsubsection{End of the simulation}
524
525 The simulations were run until the load was nearly balanced among the
526 participating nodes.  More precisely the simulation stops when each node holds
527 an amount of load at less than 1\% of the load average, during an arbitrary
528 number of computing iterations (2000 in our case).
529
530 Note that this convergence detection was implemented in a centralized manner.
531 This is easy to do within the simulator, but it's obviously not realistic.  In a
532 real application we would have chosen a decentralized convergence detection
533 algorithm, like the one described by Bahi, Contassot-Vivier, Couturier, and
534 Vernier in \cite{10.1109/TPDS.2005.2}.
535
536 \subsubsection{Platforms}
537
538 In order to show the behavior of the different strategies in different
539 settings, we simulated the executions on two sorts of platforms.  These two
540 sorts of platforms differ by their underlaid network topology.  On the one hand,
541 we have homogeneous platforms, modeled as a cluster.  On the other hand, we have
542 heterogeneous platforms, modeled as the interconnection of a number of clusters.
543
544 The clusters were modeled by a fixed number of computing nodes interconnected
545 through a backbone link.  Each computing node has a computing power of
546 1~GFlop/s, and is connected to the backbone by a network link whose bandwidth is
547 of 125~MB/s, with a latency of 50~$\mu$s.  The backbone has a network bandwidth
548 of 2.25~GB/s, with a latency of 500~$\mu$s.
549
550 The heterogeneous platform descriptions were created by taking a subset of the
551 Grid'5000 infrastructure\footnote{Grid'5000 is a French large scale experimental
552   Grid (see \url{https://www.grid5000.fr/}).}, as described in the platform file
553 \texttt{g5k.xml} distributed with SimGrid.  Note that the heterogeneity of the
554 platform here only comes from the network topology.  Indeed, since our
555 algorithms currently do not handle heterogeneous computing resources, the
556 processor speeds were normalized, and we arbitrarily chose to fix them to
557 1~GFlop/s.
558
559 Then we derived each sort of platform with four different number of computing
560 nodes: 16, 64, 256, and 1024 nodes.
561
562 \subsubsection{Configurations}
563
564 The distributed processes of the application were then logically organized along
565 three possible topologies: a line, a torus or an hypercube.  We ran tests where
566 the total load was initially on an only node (at one end for the line topology),
567 and other tests where the load was initially randomly distributed across all the
568 participating nodes.  The total amount of load was fixed to a number of load
569 units equal to 1000 times the number of node.  The average load is then of 1000
570 load units.
571
572 For each of the preceding configuration, we finally had to choose the
573 computation and communication costs of a load unit.  We chose them, such as to
574 have three different computation over communication cost ratios, and hence model
575 three different kinds of applications:
576 \begin{itemize}
577 \item mainly communicating, with a computation/communication cost ratio of $1/10$;
578 \item mainly computing, with a computation/communication cost ratio of $10/1$ ;
579 \item balanced, with a computation/communication cost ratio of $1/1$.
580 \end{itemize}
581
582 To summarize the various configurations, we have:
583 \begin{description}
584 \item[\textbf{platforms:}] homogeneous (cluster), or heterogeneous (subset of
585   Grid'5000)
586 \item[\textbf{platform sizes:}] platforms with 16, 64, 256, or 1024 nodes
587 \item[\textbf{process topologies:}] line, torus, or hypercube
588 \item[\textbf{initial load distribution:}] initially on a only node, or
589   initially randomly distributed over all nodes
590 \item[\textbf{computation/communication cost ratio:}] $10/1$, $1/1$, or $1/10$
591 \end{description}
592 %
593 This gives us as many as $2\times 4\times 3\times 2\times 3 = 144$ different
594 configurations.
595 %
596 Combined with the various load balancing strategies, we had $16\times 144 =
597 2304$ distinct settings to evaluate.  In fact, as it will be shown later, we
598 didn't run all the strategies, nor all the configurations for the bigger
599 platforms with 1024 nodes, since to simulations would have run for a too long
600 time.
601
602 Anyway, all these the experiments represent more than 240 hours of computing
603 time.
604
605 \subsubsection{Metrics}
606
607 In order to evaluate and compare the different load balancing strategies we had
608 to define several metrics.  Our goal, when choosing these metrics, was to have
609 something tending to a constant value, i.e. to have a measure which is not
610 changing anymore once the convergence state is reached.  Moreover, we wanted to
611 have some normalized value, in order to be able to compare them across different
612 settings.
613
614 With these constraints in mind, we defined the following metrics:
615 %
616 \begin{description}
617 \item[\textbf{average idle time:}] that's the total time spent, when the nodes
618   don't hold any share of load, and thus have nothing to compute.  This total
619   time is divided by the number of participating nodes, such as to have a number
620   that can be compared between simulations of different sizes.
621
622   This metric is expected to give an idea of the ability of the strategy to
623   diffuse the load quickly.  A smaller value is better.
624
625 \item[\textbf{average convergence date:}] that's the average of the dates when
626   all nodes reached the convergence state.  The dates are measured as a number
627   of (simulated) seconds since the beginning of the simulation.
628
629 \item[\textbf{maximum convergence date:}] that's the date when the last node
630   reached the convergence state.
631
632   These two dates give an idea of the time needed by the strategy to reach the
633   equilibrium state.  A smaller value is better.
634
635 \item[\textbf{data transfer amount:}] that's the sum of the amount of all data
636   transfers during the simulation.  This sum is then normalized by dividing it
637   by the total amount of data present in the system.
638
639   This metric is expected to give an idea of the efficiency of the strategy in
640   terms of data movements, i.e. its ability to reach the equilibrium with fewer
641   transfers.  Again, a smaller value is better.
642
643 \end{description}
644
645
646 \subsection{Experimental results}
647 \label{sec.results}
648
649 In this section, the results for the different simulations will be presented,
650 and we'll try to explain our observations.
651
652 \subsubsection{Cluster vs grid platforms}
653
654 As mentioned earlier, we simulated the different algorithms on two kinds of
655 physical platforms: clusters and grids.  A first observation that we can make,
656 is that the graphs we draw from the data have a similar aspect for the two kinds
657 of platforms.  The only noticeable difference is that the algorithms need a bit
658 more time to achieve the convergence on the grid platforms, than on clusters.
659 Nevertheless their relative performances remain generally identical.
660
661 This suggests that the relative performances of the different strategies are not
662 influenced by the characteristics of the physical platform.  The differences in
663 the convergence times can be explained by the fact that on the grid platforms,
664 distant sites are interconnected by links of smaller bandwith.
665
666 Therefore, in the following, we'll only discuss the results for the grid
667 platforms.
668
669 \subsubsection{Main results}
670
671 \begin{figure*}[p]
672   \centering
673   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-line}%
674   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-line}
675   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-torus}%
676   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-torus}
677   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-hcube}%
678   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-hcube}
679   \caption{Real mode, initially on an only mode, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
680   \label{fig.results1}
681 \end{figure*}
682
683 \begin{figure*}[p]
684   \centering
685   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-line}%
686   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-line}
687   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-torus}%
688   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-torus}
689   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-hcube}%
690   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-hcube}
691   \caption{Real mode, random initial distribution, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
692   \label{fig.resultsN}
693 \end{figure*}
694
695 The main results for our simulations on grid platforms are presented on the
696 figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}.
697 %
698 The results on figure~\ref{fig.results1} are when the load to balance is
699 initially on an only node, while the results on figure~\ref{fig.resultsN} are
700 when the load to balance is initially randomly distributed over all nodes.
701
702 On both figures, the computation/communication cost ratio is $10/1$ on the left
703 column, and $1/10$ on the right column.  With a computatio/communication cost
704 ratio of $1/1$ the results are just between these two extrema, and definitely
705 don't give additional information, so we chose not to show them here.
706
707 On each of the figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}, the results
708 are given for the process topology being, from top to bottom, a line, a torus or
709 an hypercube.
710
711 \FIXME{explain how to read the graphs}
712
713 each bar -> times for an algorithm
714 recall the different times
715 no bar -> not run or did not converge in allocated time
716
717 repeated for the different platform sizes.
718
719 \FIXME{donner les premières conclusions, annoncer le plan de la suite}
720
721 \subsubsection{With the virtual load extension}
722
723 \subsubsection{The $k$ parameter}
724
725 \subsubsection{With an initial random repartition,  and larger platforms}
726
727 \subsubsection{With integer load}
728
729 \FIXME{what about the amount of data?}
730
731 \begin{itshape}
732 \FIXME{remove that part}
733 Dans cet ordre:
734 ...
735 - comparer be/makhoul -> be tient la route
736         -> en réel uniquement
737 - valider l'extension virtual load -> c'est 'achement bien
738 - proposer le -k -> ça peut aider dans certains cas
739 - conclure avec la version entière -> on n'a pas l'effet d'escalier !
740 Q: comment inclure les types/tailles de platesformes ?
741 Q: comment faire des moyennes ?
742 Q: comment introduire les distrib 1/N ?
743 ...
744
745 On constate quoi (vérifier avec les chiffres)?
746 \begin{itemize}
747 \item cluster ou grid, entier ou réel, ne font pas de grosses différences
748
749 \item bookkeeping? améliore souvent les choses, parfois au prix d'un retard au démarrage
750
751 \item makhoul? se fait battre sur les grosses plateformes
752
753 \item taille de plateforme?
754
755 \item ratio comp/comm?
756
757 \item option $k$? peut-être intéressant sur des plateformes fortement interconnectées (hypercube)
758
759 \item volume de comm? souvent, besteffort/plain en fait plus. pourquoi?
760
761 \item répartition initiale de la charge ?
762
763 \item integer mode sur topo. line n'a jamais fini en plain? vérifier si ce n'est
764   pas à cause de l'effet d'escalier que bk est capable de gommer.
765
766 \end{itemize}
767
768 % On veut montrer quoi ? :
769
770 % 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
771 % 2) avantage virtual load
772
773 % Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
774 % Topologies variées
775
776
777 % Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
778 % Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
779
780 % Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
781
782 % Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
783
784 % Cadre processeurs homogènes
785
786 % Topologies statiques
787
788 % On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
789
790 % Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
791
792 % Taille : 10 100 très gros
793 \end{itshape}
794
795 \section{Conclusion and perspectives}
796
797 \FIXME{conclude!}
798
799 \section*{Acknowledgements}
800
801 Computations have been performed on the supercomputer facilities of the
802 Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
803
804 \bibliographystyle{elsarticle-num}
805 \bibliography{biblio}
806 \FIXME{find and add more references}
807
808 \end{document}
809
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816
817 % LocalWords:  Raphaël Couturier Arnaud Giersch Abderrahmane Sider Franche ij
818 % LocalWords:  Bertsekas Tsitsiklis SimGrid DASUD Comté Béjaïa asynchronism ji
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