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[loba-papers.git] / supercomp11 / supercomp11.tex
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10
11 \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} % \abs{x} -> |x|
12
13 \newenvironment{algodata}{%
14   \begin{tabular}[t]{@{}l@{:~}l@{}}}{%
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16
17 \newcommand{\FIXMEmargin}[1]{%
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22
23 \newcommand{\VAR}[1]{\textit{#1}}
24
25 \begin{document}
26
27 \title{Best effort strategy and virtual load
28   for asynchronous iterative load balancing}
29
30 \author{Raphaël Couturier \and
31         Arnaud Giersch
32 }
33
34 \institute{R. Couturier \and A. Giersch \at
35               FEMTO-ST, University of Franche-Comté, Belfort, France \\
36               % Tel.: +123-45-678910\\
37               % Fax: +123-45-678910\\
38               \email{%
39                 raphael.couturier@femto-st.fr,
40                 arnaud.giersch@femto-st.fr}
41 }
42
43 \maketitle
44
45
46 \begin{abstract}
47
48 Most of the  time, asynchronous load balancing algorithms  have extensively been
49 studied in a theoretical point  of view. The Bertsekas and Tsitsiklis'
50 algorithm~\cite[section~7.4]{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}
51 is certainly  the most well known  algorithm for which the  convergence proof is
52 given. From a  practical point of view, when  a node wants to balance  a part of
53 its  load to some  of its  neighbors, the  strategy is  not described.   In this
54 paper, we propose a strategy  called \emph{best effort} which tries to balance
55 the load of a node to all  its less loaded neighbors while ensuring that all the
56 nodes  concerned by  the load  balancing  phase have  the same  amount of  load.
57 Moreover,  asynchronous  iterative  algorithms  in which  an  asynchronous  load
58 balancing  algorithm is  implemented most  of the  time can  dissociate messages
59 concerning load transfers and message  concerning load information.  In order to
60 increase  the  converge of  a  load balancing  algorithm,  we  propose a  simple
61 heuristic called \emph{virtual load} which allows a node that receives a load
62 information message  to integrate the  load that it  will receive later  in its
63 load (virtually) and consequently sends a (real) part of its load to some of its
64 neighbors.  In order to  validate our  approaches, we  have defined  a simulator
65 based on SimGrid which allowed us to conduct many experiments.
66
67
68 \end{abstract}
69
70 \section{Introduction}
71
72 Load  balancing algorithms  are  extensively used  in  parallel and  distributed
73 applications in  order to  reduce the  execution times. They  can be  applied in
74 different scientific  fields from high  performance computation to  micro sensor
75 networks.   They are  iterative by  nature.  In  literature many  kinds  of load
76 balancing  algorithms  have been  studied.   They  can  be classified  according
77 different  criteria:   centralized  or  decentralized,  in   static  or  dynamic
78 environment,  with  homogeneous  or  heterogeneous load,  using  synchronous  or
79 asynchronous iterations, with  a static topology or a  dynamic one which evolves
80 during time.  In  this work, we focus on  asynchronous load balancing algorithms
81 where computer nodes  are considered homogeneous and with  homogeneous load with
82 no external  load. In  this context, Bertsekas  and Tsitsiklis have  proposed an
83 algorithm which is definitively a reference  for many works. In their work, they
84 proved that under classical  hypotheses of asynchronous iterative algorithms and
85 a  special  constraint   avoiding  \emph{ping-pong}  effect,  an  asynchronous
86 iterative algorithm  converge to  the uniform load  distribution. This  work has
87 been extended by many authors. For example, Cortés et al., with
88 DASUD~\cite{cortes+ripoll+cedo+al.2002.asynchronous}, propose a
89 version working with integer load.  This work was later generalized by
90 the same authors in \cite{cedo+cortes+ripoll+al.2007.convergence}.
91 \FIXME{Rajouter des choses ici.  Lesquelles ?}
92
93 Although  the Bertsekas  and Tsitsiklis'  algorithm describes  the  condition to
94 ensure the convergence,  there is no indication or  strategy to really implement
95 the load distribution. In other word, a node  can send a part of its load to one
96 or   many  of   its  neighbors   while  all   the  convergence   conditions  are
97 followed. Consequently,  we propose a  new strategy called  \emph{best effort}
98 that tries to balance the load of  a node to all its less loaded neighbors while
99 ensuring that all the nodes concerned  by the load balancing phase have the same
100 amount of  load.  Moreover, when real asynchronous  applications are considered,
101 using  asynchronous   load  balancing   algorithms  can  reduce   the  execution
102 times. Most of the times, it is simpler to distinguish load information messages
103 from  data  migration  messages.  Former  ones  allows  a  node to  inform  its
104 neighbors of its  current load. These messages are very small,  they can be sent
105 quite often.  For example, if an  computing iteration takes  a significant times
106 (ranging from seconds to minutes), it is possible to send a new load information
107 message at each  neighbor at each iteration. Latter  messages contains data that
108 migrates from one node to another one. Depending on the application, it may have
109 sense or not  that nodes try to balance  a part of their load  at each computing
110 iteration. But the time to transfer a load message from a node to another one is
111 often much more longer that to  time to transfer a load information message. So,
112 when a node receives the information  that later it will receive a data message,
113 it can take this information into account  and it can consider that its new load
114 is larger.   Consequently, it can  send a part  of it real  load to some  of its
115 neighbors if required. We call this trick the \emph{virtual load} mechanism.
116
117
118
119 So, in  this work, we propose a  new strategy for improving  the distribution of
120 the  load  and  a  simple  but  efficient trick  that  also  improves  the  load
121 balancing. Moreover, we have conducted  many simulations with SimGrid in order to
122 validate our improvements are really efficient. Our simulations consider that in
123 order  to send a  message, a  latency delays  the sending  and according  to the
124 network  performance and  the message  size, the  time of  the reception  of the
125 message also varies.
126
127 In the following of this paper, Section~\ref{BT algo} describes the Bertsekas
128 and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm. Moreover, we present a
129 possible problem in the convergence conditions.  Section~\ref{Best-effort}
130 presents the best effort strategy which provides an efficient way to reduce the
131 execution times.  This strategy will be compared with other ones, presented in
132 Section~\ref{Other}.  In Section~\ref{Virtual load}, the virtual load mechanism
133 is proposed.  Simulations allowed to show that both our approaches are valid
134 using a quite realistic model detailed in Section~\ref{Simulations}.  Finally we
135 give a conclusion and some perspectives to this work.
136
137
138
139 \section{Bertsekas  and Tsitsiklis' asynchronous load balancing algorithm}
140 \label{BT algo}
141
142 In  order  prove  the  convergence  of  asynchronous  iterative  load  balancing
143 Bertsekas         and        Tsitsiklis         proposed         a        model
144 in~\cite{bertsekas+tsitsiklis.1997.parallel}.   Here we  recall  some notations.
145 Consider  that  $N={1,...,n}$  processors   are  connected  through  a  network.
146 Communication links  are represented by  a connected undirected  graph $G=(N,V)$
147 where $V$ is the set of links connecting different processors. In this work, we
148 consider that  processors are  homogeneous for sake  of simplicity. It  is quite
149 easy to tackle the  heterogeneous case~\cite{ElsMonPre02}. Load of processor $i$
150 at  time $t$  is  represented  by $x_i(t)\geq  0$.   Let $V(i)$  be  the set  of
151 neighbors of processor  $i$.  Each processor $i$ has an estimate  of the load of
152 each  of its  neighbors $j  \in V(i)$  represented by  $x_j^i(t)$.  According to
153 asynchronism and communication  delays, this estimate may be  outdated.  We also
154 consider that the load is described by a continuous variable.
155
156 When a processor  send a part of its  load to one or some of  its neighbors, the
157 transfer takes time to be completed.  Let $s_{ij}(t)$ be the amount of load that
158 processor $i$ has transferred to processor $j$ at time $t$ and let $r_{ij}(t)$ be the
159 amount of  load received by processor $j$  from processor $i$ at  time $t$. Then
160 the amount of load of processor $i$ at time $t+1$ is given by:
161 \begin{equation}
162 x_i(t+1)=x_i(t)-\sum_{j\in V(i)} s_{ij}(t) + \sum_{j\in V(i)} r_{ji}(t)
163 \label{eq:ping-pong}
164 \end{equation}
165
166
167 Some  conditions are  required to  ensure the  convergence. One  of them  can be
168 called the \emph{ping-pong} condition which specifies that:
169 \begin{equation}
170 x_i(t)-\sum _{k\in V(i)} s_{ik}(t) \geq x_j^i(t)+s_{ij}(t)
171 \end{equation}
172 for any  processor $i$ and any  $j \in V(i)$ such  that $x_i(t)>x_j^i(t)$.  This
173 condition aims  at avoiding a processor  to send a  part of its load  and being
174 less loaded after that.
175
176 Nevertheless,  we  think that  this  condition may  lead  to  deadlocks in  some
177 cases. For example, if we consider  only three processors and that processor $1$
178 is linked to processor $2$ which is  also linked to processor $3$ (i.e. a simple
179 chain which 3 processors). Now consider we have the following values at time $t$:
180 \begin{eqnarray*}
181 x_1(t)=10   \\
182 x_2(t)=100   \\
183 x_3(t)=99.99\\
184  x_3^2(t)=99.99\\
185 \end{eqnarray*}
186 In this case, processor $2$ can  either sends load to processor $1$ or processor
187 $3$.   If  it  sends  load  to  processor $1$  it  will  not  satisfy  condition
188 (\ref{eq:ping-pong})  because  after the  sending  it  will  be less  loaded  that
189 $x_3^2(t)$.  So we consider that the \emph{ping-pong} condition is probably to
190 strong. Currently, we did not try to make another convergence proof without this
191 condition or with a weaker condition.
192
193 Nevertheless, we conjecture that such a weaker condition exists.  In fact, we
194 have never seen any scenario that is not leading to convergence, even with
195 load-balancing strategies that are not exactly fulfilling these two conditions.
196
197 It may be the subject of future work to express weaker conditions, and to prove
198 that they are sufficient to ensure the convergence of the load-balancing
199 algorithm.
200
201 \section{Best effort strategy}
202 \label{Best-effort}
203
204 In this section we describe a new load-balancing strategy that we call
205 \emph{best effort}.  First, we explain the general idea behind this strategy,
206 and then we describe some variants of this basic strategy.
207
208 \subsection{Basic strategy}
209
210 The general idea behind the \emph{best effort} strategy is that each processor,
211 that detects it has more load than some of its neighbors, sends some load to the
212 most of its less loaded neighbors, doing its best to reach the equilibrium
213 between those neighbors and himself.
214
215 More precisely, when a processor $i$ is in its load-balancing phase,
216 he proceeds as following.
217 \begin{enumerate}
218 \item First, the neighbors are sorted in non-decreasing order of their
219   known loads $x^i_j(t)$.
220
221 \item Then, this sorted list is traversed in order to find its largest
222   prefix such as the load of each selected neighbor is lesser than:
223   \begin{itemize}
224   \item the processor's own load, and
225   \item the mean of the loads of the selected neighbors and of the
226     processor's load.
227   \end{itemize}
228   Let's call $S_i(t)$ the set of the selected neighbors, and
229   $\bar{x}(t)$ the mean of the loads of the selected neighbors and of
230   the processor load:
231   \begin{equation*}
232     \bar{x}(t) = \frac{1}{\abs{S_i(t)} + 1}
233       \left( x_i(t) + \sum_{j\in S_i(t)} x^i_j(t) \right)
234   \end{equation*}
235   The following properties hold:
236   \begin{equation*}
237     \begin{cases}
238       S_i(t) \subset V(i) \\
239       x^i_j(t) < x_i(t) & \forall j \in S_i(t) \\
240       x^i_j(t) < \bar{x} & \forall j \in S_i(t) \\
241       x^i_j(t) \leq x^i_k(t) & \forall j \in S_i(t), \forall k \in V(i) \setminus S_i(t) \\
242       \bar{x} \leq x_i(t)
243     \end{cases}
244   \end{equation*}
245
246 \item Once this selection is completed, processor $i$ sends to each of
247   the selected neighbor $j\in S_i(t)$ an amount of load $s_{ij}(t) =
248   \bar{x} - x^i_j(t)$.
249
250   From the above equations, and notably from the definition of
251   $\bar{x}$, it can easily be verified that:
252   \begin{equation*}
253     \begin{cases}
254       x_i(t) - \sum_{j\in S_i(t)} s_{ij}(t) = \bar{x} \\
255       x^i_j(t) + s_{ij}(t) = \bar{x} & \forall j \in S_i(t)
256     \end{cases}
257   \end{equation*}
258 \end{enumerate}
259
260 \subsection{Leveling the amount to send}
261
262 With the aforementioned basic strategy, each node does its best to reach the
263 equilibrium with its neighbors.  Since each node may be taking the same kind of
264 decision at the same moment, there is the risk that a node receives load from
265 several of its neighbors, and then is temporary going off the equilibrium state.
266 This is particularly true with strongly connected applications.
267
268 In order to reduce this effect, we add the ability to level the amount to send.
269 The idea, here, is to make smaller steps toward the equilibrium, such that a
270 potentially wrong decision has a lower impact.
271
272 Concretely, once $s_{ij}$ has been evaluated as before, it is simply divided by
273 some configurable factor.  That's what we named the ``parameter $k$'' in
274 Section~\ref{Results}.  The amount of data to send is then $s_{ij}(t) = (\bar{x}
275 - x^i_j(t))/k$.
276 \FIXME[check that it's still named $k$ in Sec.~\ref{Results}]{}
277
278 \section{Other strategies}
279 \label{Other}
280
281 Another load balancing strategy, working under the same conditions, was
282 previously developed by Bahi, Giersch, and Makhoul in
283 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable}.  In order to assess the performances
284 of the new \emph{best effort}, we naturally chose to compare it to this anterior
285 work.  More precisely, we will use the algorithm~2 from
286 \cite{bahi+giersch+makhoul.2008.scalable} and, in the following, we will
287 reference it under the name of Makhoul's.
288
289 Here is an outline of the Makhoul's algorithm.  When a given node needs to take
290 a load balancing decision, it starts by sorting its neighbors by increasing
291 order of their load.  Then, it computes the difference between its own load, and
292 the load of each of its neighbors.  Finally, taking the neighbors following the
293 order defined before, the amount of load to send $s_{ij}$ is computed as
294 $1/(N+1)$ of the load difference, with $N$ being the number of neighbors.  This
295 process continues as long as the node is more loaded than the considered
296 neighbor.
297
298
299 \section{Virtual load}
300 \label{Virtual load}
301
302 In this section,  we present the concept of \texttt{virtual  load}.  In order to
303 use this concept, load balancing messages must be sent using two different kinds
304 of  messages:  load information  messages  and  load  balancing messages.   More
305 precisely, a node  wanting to send a part  of its load to one  of its neighbors,
306 can first send  a load information message containing the load  it will send and
307 then it can send the load  balancing message containing data  to be transferred.
308 Load information  message are really  short, consequently they will  be received
309 very quickly.  In opposition, load  balancing messages are often bigger and thus
310 require more time to be transferred.
311
312 The  concept  of  \texttt{virtual load}  allows  a  node  that received  a  load
313 information message to integrate the load that it will receive later in its load
314 (virtually)  and consequently send  a (real)  part of  its load  to some  of its
315 neighbors. In fact,  a node that receives a load  information message knows that
316 later it  will receive the  corresponding load balancing message  containing the
317 corresponding data.  So  if this node detects it is too  loaded compared to some
318 of its neighbors  and if it has enough  load (real load), then it  can send more
319 load  to  some of  its  neighbors  without waiting  the  reception  of the  load
320 balancing message.
321
322 Doing  this, we  can  expect a  faster  convergence since  nodes  have a  faster
323 information of the load they will receive, so they can take in into account.
324
325 \FIXME{Est ce qu'on donne l'algo avec virtual load?}
326
327 \FIXME{describe integer mode}
328
329 \section{Simulations}
330 \label{Simulations}
331
332 In order to test and validate our approaches, we wrote a simulator
333 using the SimGrid
334 framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  This
335 simulator, which consists of about 2,700 lines of C++, allows to run
336 the different load-balancing strategies under various parameters, such
337 as the initial distribution of load, the interconnection topology, the
338 characteristics of the running platform, etc.  Then several metrics
339 are issued that permit to compare the strategies.
340
341 The simulation model is detailed in the next section (\ref{Sim
342   model}), and the experimental contexts are described in
343 section~\ref{Contexts}.  Then the results of the simulations are
344 presented in section~\ref{Results}.
345
346 \subsection{Simulation model}
347 \label{Sim model}
348
349 In the simulation model the processors exchange messages which are of
350 two kinds.  First, there are \emph{control messages} which only carry
351 information that is exchanged between the processors, such as the
352 current load, or the virtual load transfers if this option is
353 selected.  These messages are rather small, and their size is
354 constant.  Then, there are \emph{data messages} that carry the real
355 load transferred between the processors.  The size of a data message
356 is a function of the amount of load that it carries, and it can be
357 pretty large.  In order to receive the messages, each processor has
358 two receiving channels, one for each kind of messages.  Finally, when
359 a message is sent or received, this is done by using the non-blocking
360 primitives of SimGrid\footnote{That are \texttt{MSG\_task\_isend()},
361   and \texttt{MSG\_task\_irecv()}.}.
362
363 During the simulation, each processor concurrently runs three threads:
364 a \emph{receiving thread}, a \emph{computing thread}, and a
365 \emph{load-balancing thread}, which we will briefly describe now.
366
367 For the sake of simplicity, a few details were voluntary omitted from
368 these descriptions.  For an exhaustive presentation, we refer to the
369 actual source code that was used for the experiments%
370 \footnote{As mentioned before, our simulator relies on the SimGrid
371   framework~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}.  For the
372   experiments, we used a pre-release of SimGrid 3.7 (Git commit
373   67d62fca5bdee96f590c942b50021cdde5ce0c07, available from
374   \url{https://gforge.inria.fr/scm/?group_id=12})}, and which is
375 available at
376 \url{http://info.iut-bm.univ-fcomte.fr/staff/giersch/software/loba.tar.gz}.
377
378 \subsubsection{Receiving thread}
379
380 The receiving thread is in charge of waiting for messages to come, either on the
381 control channel, or on the data channel.  Its behavior is sketched by
382 Algorithm~\ref{algo.recv}.  When a message is received, it is pushed in a buffer
383 of received message, to be later consumed by one of the other threads.  There
384 are two such buffers, one for the control messages, and one for the data
385 messages.  The buffers are implemented with a lock-free FIFO
386 \cite{sutter.2008.writing} to avoid contention between the threads.
387
388 \begin{algorithm}
389   \caption{Receiving thread}
390   \label{algo.recv}
391   \KwData{
392     \begin{algodata}
393       \VAR{ctrl\_chan}, \VAR{data\_chan}
394       & communication channels (control and data) \\
395       \VAR{ctrl\_fifo}, \VAR{data\_fifo}
396       & buffers of received messages (control and data) \\
397     \end{algodata}}
398   \While{true}{%
399     wait for a message to be available on either \VAR{ctrl\_chan},
400     or \VAR{data\_chan}\;
401     \If{a message is available on \VAR{ctrl\_chan}}{%
402       get the message from \VAR{ctrl\_chan}, and push it into \VAR{ctrl\_fifo}\;
403     }
404     \If{a message is available on \VAR{data\_chan}}{%
405       get the message from \VAR{data\_chan}, and push it into \VAR{data\_fifo}\;
406     }
407   }
408 \end{algorithm}
409
410 \subsubsection{Computing thread}
411
412 The computing thread is in charge of the real load management.  As exposed in
413 Algorithm~\ref{algo.comp}, it iteratively runs the following operations:
414 \begin{itemize}
415 \item if some load was received from the neighbors, get it;
416 \item if there is some load to send to the neighbors, send it;
417 \item run some computation, whose duration is function of the current
418   load of the processor.
419 \end{itemize}
420 Practically, after the computation, the computing thread waits for a
421 small amount of time if the iterations are looping too fast (for
422 example, when the current load is near zero).
423
424 \begin{algorithm}
425   \caption{Computing thread}
426   \label{algo.comp}
427   \KwData{
428     \begin{algodata}
429       \VAR{data\_fifo} & buffer of received data messages \\
430       \VAR{real\_load} & current load \\
431     \end{algodata}}
432   \While{true}{%
433     \If{\VAR{data\_fifo} is empty and $\VAR{real\_load} = 0$}{%
434       wait until a message is pushed into \VAR{data\_fifo}\;
435     }
436     \While{\VAR{data\_fifo} is not empty}{%
437       pop a message from \VAR{data\_fifo}\;
438       get the load embedded in the message, and add it to \VAR{real\_load}\;
439     }
440     \ForEach{neighbor $n$}{%
441       \If{there is some amount of load $a$ to send to $n$}{%
442         send $a$ units of load to $n$, and subtract it from \VAR{real\_load}\;
443       }
444     }
445     \If{$\VAR{real\_load} > 0.0$}{
446       simulate some computation, whose duration is function of \VAR{real\_load}\;
447       ensure that the main loop does not iterate too fast\;
448     }
449   }
450 \end{algorithm}
451
452 \subsubsection{Load-balancing thread}
453
454 The load-balancing thread is in charge of running the load-balancing algorithm,
455 and exchange the control messages.  As shown in Algorithm~\ref{algo.lb}, it
456 iteratively runs the following operations:
457 \begin{itemize}
458 \item get the control messages that were received from the neighbors;
459 \item run the load-balancing algorithm;
460 \item send control messages to the neighbors, to inform them of the
461   processor's current load, and possibly of virtual load transfers;
462 \item wait a minimum (configurable) amount of time, to avoid to
463   iterate too fast.
464 \end{itemize}
465
466 \begin{algorithm}
467   \caption{Load-balancing}
468   \label{algo.lb}
469   \While{true}{%
470     \While{\VAR{ctrl\_fifo} is not empty}{%
471       pop a message from \VAR{ctrl\_fifo}\;
472       identify the sender of the message,
473       and update the current knowledge of its load\;
474     }
475     run the load-balancing algorithm to make the decision about load transfers\;
476     \ForEach{neighbor $n$}{%
477       send a control messages to $n$\;
478     }
479     ensure that the main loop does not iterate too fast\;
480   }
481 \end{algorithm}
482
483 \paragraph{}\FIXME{ajouter des détails sur la gestion de la charge virtuelle ?
484 par ex, donner l'idée générale de l'implémentation.  l'idée générale est déja décrite en section~\ref{Virtual load}}
485
486 \subsection{Experimental contexts}
487 \label{Contexts}
488
489 In order to assess the performances of our algorithms, we ran our
490 simulator with various parameters, and extracted several metrics, that
491 we will describe in this section.
492
493 \subsubsection{Load balancing strategies}
494
495 Several load balancing strategies were compared.  We ran the experiments with
496 the \emph{Best effort}, and with the \emph{Makhoul} strategies.  \emph{Best
497   effort} was tested with parameter $k = 1$, $k = 2$, and $k = 4$.  Secondly,
498 each strategy was run in its two variants: with, and without the management of
499 \emph{virtual load}.  Finally, we tested each configuration with \emph{real},
500 and with \emph{integer} load.
501
502 To summarize the different load balancing strategies, we have:
503 \begin{description}
504 \item[\textbf{strategies:}] \emph{Makhoul}, or \emph{Best effort} with $k\in
505   \{1,2,4\}$
506 \item[\textbf{variants:}] with, or without virtual load
507 \item[\textbf{domain:}] real load, or integer load
508 \end{description}
509 %
510 This gives us as many as $4\times 2\times 2 = 16$ different strategies.
511
512 \subsubsection{End of the simulation}
513
514 The simulations were run until the load was nearly balanced among the
515 participating nodes.  More precisely the simulation stops when each node holds
516 an amount of load at less than 1\% of the load average, during an arbitrary
517 number of computing iterations (2000 in our case).
518
519 Note that this convergence detection was implemented in a centralized manner.
520 This is easy to do within the simulator, but it's obviously not realistic.  In a
521 real application we would have chosen a decentralized convergence detection
522 algorithm, like the one described by Bahi, Contassot-Vivier, Couturier, and
523 Vernier in \cite{10.1109/TPDS.2005.2}.
524
525 \subsubsection{Platforms}
526
527 In order to show the behavior of the different strategies in different
528 settings, we simulated the executions on two sorts of platforms.  These two
529 sorts of platforms differ by their underlaid network topology.  On the one hand,
530 we have homogeneous platforms, modeled as a cluster.  On the other hand, we have
531 heterogeneous platforms, modeled as the interconnection of a number of clusters.
532
533 The clusters were modeled by a fixed number of computing nodes interconnected
534 through a backbone link.  Each computing node has a computing power of
535 1~GFlop/s, and is connected to the backbone by a network link whose bandwidth is
536 of 125~MB/s, with a latency of 50~$\mu$s.  The backbone has a network bandwidth
537 of 2.25~GB/s, with a latency of 500~$\mu$s.
538
539 The heterogeneous platform descriptions were created by taking a subset of the
540 Grid'5000 infrastructure\footnote{Grid'5000 is a French large scale experimental
541   Grid (see \url{https://www.grid5000.fr/}).}, as described in the platform file
542 \texttt{g5k.xml} distributed with SimGrid.  Note that the heterogeneity of the
543 platform here only comes from the network topology.  Indeed, since our
544 algorithms currently do not handle heterogeneous computing resources, the
545 processor speeds were normalized, and we arbitrarily chose to fix them to
546 1~GFlop/s.
547
548 Then we derived each sort of platform with four different number of computing
549 nodes: 16, 64, 256, and 1024 nodes.
550
551 \subsubsection{Configurations}
552
553 The distributed processes of the application were then logically organized along
554 three possible topologies: a line, a torus or an hypercube.  We ran tests where
555 the total load was initially on an only node (at one end for the line topology),
556 and other tests where the load was initially randomly distributed across all the
557 participating nodes.  The total amount of load was fixed to a number of load
558 units equal to 1000 times the number of node.  The average load is then of 1000
559 load units.
560
561 For each of the preceding configuration, we finally had to choose the
562 computation and communication costs of a load unit.  We chose them, such as to
563 have three different computation over communication cost ratios, and hence model
564 three different kinds of applications:
565 \begin{itemize}
566 \item mainly communicating, with a computation/communication cost ratio of $1/10$;
567 \item mainly computing, with a computation/communication cost ratio of $10/1$ ;
568 \item balanced, with a computation/communication cost ratio of $1/1$.
569 \end{itemize}
570
571 To summarize the various configurations, we have:
572 \begin{description}
573 \item[\textbf{platforms:}] homogeneous (cluster), or heterogeneous (subset of
574   Grid'5000)
575 \item[\textbf{platform sizes:}] platforms with 16, 64, 256, or 1024 nodes
576 \item[\textbf{process topologies:}] line, torus, or hypercube
577 \item[\textbf{initial load distribution:}] initially on a only node, or
578   initially randomly distributed over all nodes
579 \item[\textbf{computation/communication cost ratio:}] $10/1$, $1/1$, or $1/10$
580 \end{description}
581 %
582 This gives us as many as $2\times 4\times 3\times 2\times 3 = 144$ different
583 configurations.
584 %
585 Combined with the various load balancing strategies, we had $16\times 144 =
586 2304$ distinct settings to evaluate.  In fact, as it will be shown later, we
587 didn't run all the strategies, nor all the configurations for the bigger
588 platforms with 1024 nodes, since to simulations would have run for a too long
589 time.
590
591 Anyway, all these the experiments represent more than 240 hours of computing
592 time.
593
594 \subsubsection{Metrics}
595
596 In order to evaluate and compare the different load balancing strategies we had
597 to define several metrics.  Our goal, when choosing these metrics, was to have
598 something tending to a constant value, i.e. to have a measure which is not
599 changing anymore once the convergence state is reached.  Moreover, we wanted to
600 have some normalized value, in order to be able to compare them across different
601 settings.
602
603 With these constraints in mind, we defined the following metrics:
604 %
605 \begin{description}
606 \item[\textbf{average idle time:}] that's the total time spent, when the nodes
607   don't hold any share of load, and thus have nothing to compute.  This total
608   time is divided by the number of participating nodes, such as to have a number
609   that can be compared between simulations of different sizes.
610
611   This metric is expected to give an idea of the ability of the strategy to
612   diffuse the load quickly.  A smaller value is better.
613
614 \item[\textbf{average convergence date:}] that's the average of the dates when
615   all nodes reached the convergence state.  The dates are measured as a number
616   of (simulated) seconds since the beginning of the simulation.
617
618 \item[\textbf{maximum convergence date:}] that's the date when the last node
619   reached the convergence state.
620
621   These two dates give an idea of the time needed by the strategy to reach the
622   equilibrium state.  A smaller value is better.
623
624 \item[\textbf{data transfer amount:}] that's the sum of the amount of all data
625   transfers during the simulation.  This sum is then normalized by dividing it
626   by the total amount of data present in the system.
627
628   This metric is expected to give an idea of the efficiency of the strategy in
629   terms of data movements, i.e. its ability to reach the equilibrium with fewer
630   transfers.  Again, a smaller value is better.
631
632 \end{description}
633
634
635 \subsection{Experimental results}
636 \label{Results}
637
638 In this section, the results for the different simulations will be presented,
639 and we'll try to explain our observations.
640
641 \subsubsection{Cluster vs grid platforms}
642
643 As mentioned earlier, we simulated the different algorithms on two kinds of
644 physical platforms: clusters and grids.  A first observation that we can make,
645 is that the graphs we draw from the data have a similar aspect for the two kinds
646 of platforms.  The only noticeable difference is that the algorithms need a bit
647 more time to achieve the convergence on the grid platforms, than on clusters.
648 Nevertheless their relative performances remain generally identical.
649
650 This suggests that the relative performances of the different strategies are not
651 influenced by the characteristics of the physical platform.  The differences in
652 the convergence times can be explained by the fact that on the grid platforms,
653 distant sites are interconnected by links of smaller bandwith.
654
655 Therefore, in the following, we'll only discuss the results for the grid
656 platforms.
657
658 \subsubsection{Main results}
659
660 \begin{figure*}[p]
661   \centering
662   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-line}%
663   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-line}
664   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-torus}%
665   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-torus}
666   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-10:1-grid-hcube}%
667   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/R1-1:10-grid-hcube}
668   \caption{Real mode, initially on an only mode, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
669   \label{fig.results1}
670 \end{figure*}
671
672 \begin{figure*}[p]
673   \centering
674   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-line}%
675   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-line}
676   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-torus}%
677   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-torus}
678   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-10:1-grid-hcube}%
679   \includegraphics[width=.5\linewidth]{data/graphs/RN-1:10-grid-hcube}
680   \caption{Real mode, random initial distribution, comp/comm cost ratio = $10/1$ (left), or $1/10$ (right).}
681   \label{fig.resultsN}
682 \end{figure*}
683
684 The main results for our simulations on grid platforms are presented on the
685 figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}.
686 %
687 The results on figure~\ref{fig.results1} are when the load to balance is
688 initially on an only node, while the results on figure~\ref{fig.resultsN} are
689 when the load to balance is initially randomly distributed over all nodes.
690
691 On both figures, the computation/communication cost ratio is $10/1$ on the left
692 column, and $1/10$ on the right column.  With a computatio/communication cost
693 ratio of $1/1$ the results are just between these two extrema, and definitely
694 don't give additional information, so we chose not to show them here.
695
696 On each of the figures~\ref{fig.results1} and~\ref{fig.resultsN}, the results
697 are given for the process topology being, from top to bottom, a line, a torus or
698 an hypercube.
699
700 \FIXME{explain how to read the graphs}
701
702 each bar -> times for an algorithm
703 recall the different times
704 no bar -> not run or did not converge in allocated time
705
706 repeated for the different platform sizes.
707
708 \FIXME{donner les premières conclusions, annoncer le plan de la suite}
709
710 \subsubsection{With the virtual load extension}
711
712 \subsubsection{The $k$ parameter}
713
714 \subsubsection{With an initial random repartition,  and larger platforms}
715
716 \subsubsection{With integer load}
717
718 \FIXME{what about the amount of data?}
719
720 \begin{itshape}
721 \FIXME{remove that part}
722 Dans cet ordre:
723 ...
724 - comparer be/makhoul -> be tient la route
725         -> en réel uniquement
726 - valider l'extension virtual load -> c'est 'achement bien
727 - proposer le -k -> ça peut aider dans certains cas
728 - conclure avec la version entière -> on n'a pas l'effet d'escalier !
729 Q: comment inclure les types/tailles de platesformes ?
730 Q: comment faire des moyennes ?
731 Q: comment introduire les distrib 1/N ?
732 ...
733
734 On constate quoi (vérifier avec les chiffres)?
735 \begin{itemize}
736 \item cluster ou grid, entier ou réel, ne font pas de grosses différences
737
738 \item bookkeeping? améliore souvent les choses, parfois au prix d'un retard au démarrage
739
740 \item makhoul? se fait battre sur les grosses plateformes
741
742 \item taille de plateforme?
743
744 \item ratio comp/comm?
745
746 \item option $k$? peut-être intéressant sur des plateformes fortement interconnectées (hypercube)
747
748 \item volume de comm? souvent, besteffort/plain en fait plus. pourquoi?
749
750 \item répartition initiale de la charge ?
751
752 \item integer mode sur topo. line n'a jamais fini en plain? vérifier si ce n'est
753   pas à cause de l'effet d'escalier que bk est capable de gommer.
754
755 \end{itemize}
756
757 % On veut montrer quoi ? :
758
759 % 1) best plus rapide que les autres (simple, makhoul)
760 % 2) avantage virtual load
761
762 % Est ce qu'on peut trouver des contre exemple?
763 % Topologies variées
764
765
766 % Simulation avec temps définies assez long et on mesure la qualité avec : volume de calcul effectué, volume de données échangées
767 % Mais aussi simulation avec temps court qui montre que seul best converge
768
769 % Expés avec ratio calcul/comm rapide et lent
770
771 % Quelques expés avec charge initiale aléatoire plutot que sur le premier proc
772
773 % Cadre processeurs homogènes
774
775 % Topologies statiques
776
777 % On ne tient pas compte de la vitesse des liens donc on la considère homogène
778
779 % Prendre un réseau hétérogène et rendre processeur homogène
780
781 % Taille : 10 100 très gros
782 \end{itshape}
783
784 \section{Conclusion and perspectives}
785
786 \FIXME{conclude!}
787
788 \begin{acknowledgements}
789   Computations have been performed on the supercomputer facilities of
790   the Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
791 \end{acknowledgements}
792
793 \FIXME{find and add more references}
794 \bibliographystyle{spmpsci}
795 \bibliography{biblio}
796
797 \end{document}
798
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