Heterogeneity and locality-aware work stealing for large scale Branch-and-Bound irregular algorithms

par Trong-Tuan Vu

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Nouredine Melab et de Bilel Derbel.

Soutenue le 12-12-2014

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique fondamentale de Lille (LIFL) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Hétérogénéité et localité dans les protocoles distribués de vol de travail pour les algorithmes Branch-and-Bound irréguliers à large échelle


  • Résumé

    Les algorithmes Branch-and-Bound (B&B) font partie des méthodes exactes pour la résolution de problèmes d’optimisation combinatoire. Les calculs induits par un algorithme B&B sont extrêmement couteux surtout lorsque des instances de grande tailles sont considérées. Un algorithme B&B peut être vu comme une exploration implicite d’un espace représenté sous la forme d’un arbre qui a pour spécificité d’être hautement irrégulier. Pour accélérer l’exploration de cet espace, les calculs parallèles et distribués à très large échelle sont souvent utilisés. Cependant, atteindre des performances parallèles optimales est un objectif difficile et jalonné de plusieurs défis, qui découlent essentiellement de deux facteurs: (i) l’irrégularité des calculs inhérents à l’arbre B&B et (ii) l’hétérogénéité inhérente aux environnements de calcul large échelle. Dans cette thèse, nous nous intéressons spécifiquement à la résolution de ces deux défis. Nous nous concentrons sur la conception d’algorithmes distribués pour l’équilibrage de charge afin de garantir qu’aucune entité de calcul n’est surchargée ou sous-utilisée. Nous montrons comment résoudre l’irrégularité des calculs sur différents type d’environnements, et nous comparons les approches proposées par rapport aux approches de références existantes. En particulier, nous proposons un ensemble de protocoles spécifiques à des contextes homogènes, hétérogène en terme de puissance de calcul (muti-coeurs, CPU et GPU), et hétérogènes en terme de qualité des lien réseaux. Nous montrons à chaque fois la supériorité de nos protocoles à travers des études expérimentales extensives et rigoureuses.


  • Résumé

    Branch and Bound (B&B) algorithms are exact methods used to solve combinatorial optimization problems (COPs). The computation process of B&B is extremely time-intensive when solving large problem instances since the algorithm must explore a very large space which can be viewed as a highly irregular tree. Consequently, B&B algorithms are usually parallelized on large scale distributed computing environments in order to speedup their execution time. Large scale distributed computing environments, such as Grids and Clouds, can provide a huge amount of computing resources so that very large B&B instances can be tackled. However achieving high performance is very challenging mainly because of (i) the irregular characteristics of B&B workload and (ii) the heterogeneity exposed by large scale computing environments. This thesis addresses and deals with the above issues in order to design high performance parallel B&B on large scale heterogeneous computing environments. We focus on dynamic load balancing techniques which are to guarantee that no computing resources are underloaded or overloaded during execution time. We also show how to tackle the irregularity of B&B while running on different computing environments, and consider to compare our proposed solutions with the state-of-the-art algorithms. In particular, we propose several dynamic load balancing algorithms for homogeneous, node-heterogeneous and link-heterogeneous computing platforms. In each context, our approach is shown to perform much better than the state-of-the-art approaches.


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