Decentralized load balancing in heterogeneous computational grids

With the rapid development of high-speed wide-area networks and powerful yet low-cost computational resources, grid computing has emerged as an attractive computing paradigm. The space limitations of conventional distributed systems can thus be overcome, to fully exploit the resources of under-utilised computing resources in every region around the world for distributed jobs. Workload and resource management are key grid services at the service level of grid software infrastructure, where issues of load balancing represent a common concern for most grid infrastructure developers. Although these are established research areas in parallel and distributed computing, grid computing environments present a number of new challenges, including large-scale computing resources, heterogeneous computing power, the autonomy of organisations hosting the resources, uneven job-arrival pattern among grid sites, considerable job transfer costs, and considerable communication overhead involved in capturing the load information of sites. This dissertation focuses on designing solutions for load balancing in computational grids that can cater for the unique characteristics of grid computing environments. To explore the solution space, we conducted a survey for load balancing solutions, which enabled discussion and comparison of existing approaches, and the delimiting and exploration of the apportion of solution space. A system model was developed to study the load-balancing problems in computational grid environments. In particular, we developed three decentralised algorithms for job dispatching and load balancing—using only partial information: the desirability-aware load balancing algorithm (DA), the performance-driven desirability-aware load-balancing algorithm (P-DA), and the performance-driven region-based load-balancing algorithm (P-RB). All three are scalable, dynamic, decentralised and sender-initiated. We conducted extensive simulation studies to analyse the performance of our load-balancing algorithms. Simulation results showed that the algorithms significantly outperform preexisting decentralised algorithms that are relevant to this research

Cluster-Based Load Balancing Algorithms for Grids

E-science applications may require huge amounts of data and high processing power where grid infrastructures are very suitable for meeting these requirements. The load distribution in a grid may vary leading to the bottlenecks and overloaded sites. We describe a hierarchical dynamic load balancing protocol for Grids. The Grid consists of clusters and each cluster is represented by a coordinator. Each coordinator first attempts to balance the load in its cluster and if this fails, communicates with the other coordinators to perform transfer or reception of load. This process is repeated periodically. We analyze the correctness, performance and scalability of the proposed protocol and show from the simulation results that our algorithm balances the load by decreasing the number of high loaded nodes in a grid environment.Comment: 17 pages, 11 figures; International Journal of Computer Networks, volume3, number 5, 201

Resolving Load Balancing Issue of Grid Computing through Dynamic Approach

No Abstrac

Density-Aware Smart Grid Node Allocation in Heterogeneous Radio Access Technology Environments

Smart grid (SG) is an intelligent enhancement of the conventional energy grid allowing a smarter management. In order to be implemented, SG needs to rely on a communication network connecting different node types, implementing the SG services, with different communication and energy requirements. Heterogeneous network (Het-Net) solutions are very attractive, gaining from the allocation of different radio access technologies (RATs) to the different SG node types; however, due to the heterogeneity of the system, an efficient radio resource optimization and energy management are a complex task. Through the exploitation of the most significant key performance indicators (KPIs) of the SG node types and the key features of the RATs, a joint communication and energy cost function are here defined. Through this approach it is possible to optimally assign the nodes to the RATs while respecting their requirements. In particular, we show the effect of different nodes’ density scenarios on the proposed allocation algorithm

NETWORKED MICROGRID OPTIMIZATION AND ENERGY MANAGEMENT

Military vehicles possess attributes consistent with a microgrid, containing electrical energy generation, storage, government furnished equipment (GFE), and the ability to share these capabilities via interconnection. Many military vehicles have significant energy storage capacity to satisfy silent watch requirements, making them particularly well-suited to share their energy storage capabilities with stationary microgrids for more efficient energy management. Further, the energy generation capacity and the fuel consumption rate of the vehicles are comparable to standard diesel generators, for certain scenarios, the use of the vehicles could result in more efficient operation. Energy management of a microgrid is an open area of research especially in generation constrained scenarios where shedding of low-priority loads may be required. Typical metrics used to assess the effectiveness of an energy management strategy or policy include fuel consumption, electrical storage energy requirements, or the net exergy destruction. When considering a military outpost consisting of a stationary microgrid and a set of vehicles, the metrics used for managing the network become more complex. For example, the metrics used to manage a vehicle’s onboard equipment while on patrol may include fuel consumption, the acoustic signature, and the heat signature. Now consider that the vehicles are parked at an outpost and participating in vehicle-to-grid power-sharing and control. The metrics used to manage the grid assets may now include fuel consumption, the electrical storage’s state of charge, frequency regulation, load prioritization, and load dispatching. The focus of this work is to develop energy management and control strategies that allow a set of diverse assets to be controlled, yielding optimal operation. The provided policies result in both short-term and long-term optimal control of the electrical generation assets. The contributions of this work were: (1) development of a methodology to generate a time-varying electrical load based on (1) a U.S. Army-relevant event schedule and (2) a set of meteorological conditions, resulting in a scenario rich environment suitable for modeling and control of hybrid AC/DC tactical military microgrids, (2) the development of a multi-tiered hierarchical control architecture, suitable for development of both short and long term optimal energy management strategies for hybrid electric microgrids, and (3) the development of blending strategies capable of blending a diverse set of heterogeneous assets with multiple competing objective functions. This work could be extended to include a more diverse set of energy generation assets, found within future energy networks

Advanced Communication and Control Methods for Future Smartgrids

Proliferation of distributed generation and the increased ability to monitor different parts of the electrical grid offer unprecedented opportunities for consumers and grid operators. Energy can be generated near the consumption points, which decreases transmission burdens and novel control schemes can be utilized to operate the grid closer to its limits. In other words, the same infrastructure can be used at higher capacities thanks to increased efficiency. Also, new players are integrated into this grid such as smart meters with local control capabilities, electric vehicles that can act as mobile storage devices, and smart inverters that can provide auxiliary support. To achieve stable and safe operation, it is necessary to observe and coordinate all of these components in the smartgrid

Barriers to the implementation of Flexible Demand services within the GB electricity generation and supply system

The implementation of a low carbon electricity system within the GB requires a significant change to the generation mix with an increasing role for renewable generation. Much of this generation will be intermittent. To date system balancing has largely relied on predicting demand and ensuring provision. With substantial intermittency, continuation of this paradigm necessitates significant investment in peaking plant and/or storage. However, some of this investment can be avoided by harnessing the flexibility inherent in many electrical loads. Despite the attractiveness of such services, we do not see their large-scale implementation. The aim of this thesis is to consider why. A historical analysis reveals that both nationalisation and subsequent privatisation provide precedents for significant structural change as the integration of large-scale flexible demand might require. The need for political will is identified as a crucial enabling factor. Without an ideological driver, however, a perception of economic and/or technological risk can preclude the implementation of supportive policy. This perception is addressed through demonstration. An effective demonstration must show the ability to aggregate many small loads in a coordinated manner. A genetic algorithm that provides this core dispatch and optimisation capability is presented. This algorithm is shown to be effective in aggregating many small loads to provide a net effect that can be used as a balancing service and to do so in an optimal way considering both cost and reliability. Having demonstrated feasibility appropriate incentives must be created. An initial outline for a framework based on SysML is presented that can be used to identify where structural barriers to implementation are present to aid the design of appropriate policy incentives

A Framework for Approximate Optimization of BoT Application Deployment in Hybrid Cloud Environment

We adopt a systematic approach to investigate the efficiency of near-optimal deployment of large-scale CPU-intensive Bag-of-Task applications running on cloud resources with the non-proportional cost to performance ratios. Our analytical solutions perform in both known and unknown running time of the given application. It tries to optimize users' utility by choosing the most desirable tradeoff between the make-span and the total incurred expense. We propose a schema to provide a near-optimal deployment of BoT application regarding users' preferences. Our approach is to provide user with a set of Pareto-optimal solutions, and then she may select one of the possible scheduling points based on her internal utility function. Our framework can cope with uncertainty in the tasks' execution time using two methods, too. First, an estimation method based on a Monte Carlo sampling called AA algorithm is presented. It uses the minimum possible number of sampling to predict the average task running time. Second, assuming that we have access to some code analyzer, code profiling or estimation tools, a hybrid method to evaluate the accuracy of each estimation tool in certain interval times for improving resource allocation decision has been presented. We propose approximate deployment strategies that run on hybrid cloud. In essence, proposed strategies first determine either an estimated or an exact optimal schema based on the information provided from users' side and environmental parameters. Then, we exploit dynamic methods to assign tasks to resources to reach an optimal schema as close as possible by using two methods. A fast yet simple method based on First Fit Decreasing algorithm, and a more complex approach based on the approximation solution of the transformed problem into a subset sum problem. Extensive experiment results conducted on a hybrid cloud platform confirm that our framework can deliver a near optimal solution respecting user's utility function

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$