Cooperative Resource Management for Parallel and Distributed Systems

par Cristian Klein-Halmaghi

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Christian Pérez.

Soutenue le 29-11-2012

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École Doctorale d'Informatique et Mathématiques (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon) (laboratoire) et de AVALON / LIP Lyon / Inria Grenoble Rhône-Alpes (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Dayde.

Le jury était composé de Christian Pérez, Michel Dayde, Ramin Yahyapour, Emmanuel Jeannot, Xavier Vigouroux.

Les rapporteurs étaient Ramin Yahyapour, Emmanuel Jeannot.

  • Titre traduit

    Gestion collaborative des ressources pour les systèmes parallèles et distribuées


  • Résumé

    Les ressources de calcul à haute performance (High-Performance Computing—HPC), telles que les supercalculateurs, les grappes, les grilles de calcul ou les Clouds HPC, sont gérées par des gestionnaires de ressources (Resource Management System—RMS) qui multiplexent les ressources entre plusieurs utilisateurs et décident comment allouer les nœuds de calcul aux applications des utilisateurs. Avec la multiplication de machines péta-flopiques et l’arrivée des machines exa-flopiques attendue en 2020, l’optimisation de l’allocation des ressources aux applications est essentielle pour assurer que leur exécution soit efficace. Cependant, les RMSs existants, tels que les batch schedulers, n’offrent qu’une interface restreinte. Dans la plupart des cas, l’application doit choisir les ressources « aveuglément » lors de la soumission sans pouvoir adapter son choix à l’état des ressources ciblées, ni avant, ni pendant l’exécution.Le but de cette Thèse est d’améliorer la gestion des ressources, afin de permettre aux applications d’allouer des ressources efficacement. Pour y parvenir, nous proposons des architectures logicielles qui favorisent la collaboration entre les applications et le gestionnaire de ressources, permettant ainsi aux applications de négocier les ressources qu’elles veulent utiliser. À cette fin, nous analysons d’abord les types d’applications et leurs besoins en ressources, et nous les divisons en plusieurs catégories : rigide, modelable, malléable et évolutive. Pour chaque cas, nous soulignons les opportunités d’amélioration de la gestion de ressources. Une première contribution traite les applications modelables, qui négocient les ressources seulement avant leur démarrage. Nous proposons CooRMv1, une architecture RMS centralisée, qui délègue la sélection des ressources aux lanceurs d’application. Des simulations montrent qu’un tel système se comporte bien en termes d’extensibilité et d’équité. Les résultats ont été validés avec un prototype déployé sur la plate-forme Grid’5000. Une deuxième contribution se focalise sur la négociation des allocations pour des ressources géographiquement distribuées qui appartiennent à plusieurs institutions. Nous étendons CooRMv1 pour proposer distCooRM, une architecture RMS distribuée, qui permet aux applications modelables de co-allouer efficacement des ressources gérées par plusieurs agents indépendants. Les résultats de simulation montrent que distCooRM se comporte bien et passe à l’échelle pour un nombre raisonnable d’applications. Ensuite, nous nous concentrons sur la négociation des ressources à l’exécution pour mieux gérer les applications malléables et évolutives. Nous proposons CooRMv2, une architecture RMS centralisée, qui permet l’ordonnancement efficace des applications évolutives, et surtout celles dont l’évolution n’est pas prévisible. Une application peut faire des « pré-allocations » pour exprimer ses pics de besoins en ressources. Cela lui permet de demander dynamiquement des ressources, dont l’allocation est garantie tant que la pré-allocation n’est pas dépassée. Les ressources pré-allouées mais inutilisées sont à la disposition des autres applications. Des gains importants sont ainsi obtenus, comme les simulations que nous avons effectuées le montrent.Enfin, nous partons de logiciels utilisés en production pour illustrer l’intérêt, mais aussi la difficulté, d’améliorer la collaboration entre deux systèmes existants. Avec GridTLSE comme application et DIET comme RMS, nous avons trouvé un cas d’utilisation mal supporté auparavant. Nous identifions le problème sous-jacent d’ordonnancement des calculs optionnels et nous proposons une architecture pour le résoudre. Des expériences réelles sur la plate-forme Grid’5000 montrent que plusieurs métriques peuvent être améliorées, comme par exemple la satisfaction des utilisateurs, l’équité et le nombre de requêtes traitées. En outre, nous montrons que cette solution présente une bonne extensibilité.


  • Résumé

    High-Performance Computing (HPC) resources, such as Supercomputers, Clusters, Grids and HPC Clouds, are managed by Resource Management Systems (RMSs) that multiple resources among multiple users and decide how computing nodes are allocated to user applications. As more and more petascale computing resources are built and exascale is to be achieved by 2020, optimizing resource allocation to applications is critical to ensure their efficient execution. However, current RMSs, such as batch schedulers, only offer a limited interface. In most cases, the application has to blindly choose resources at submittal without being able to adapt its choice to the state of the target resources, neither before it started nor during execution. The goal of this Thesis is to improve resource management, so as to allow applications to efficiently allocate resources. We achieve this by proposing software architectures that promote collaboration between the applications and the RMS, thus, allowing applications to negotiate the resources they run on. To this end, we start by analysing the various types of applications and their unique resource requirements, categorizing them into rigid, moldable, malleable and evolving. For each case, we highlight the opportunities they open up for improving resource management.The first contribution deals with moldable applications, for which resources are only negotiated before they start. We propose CooRMv1, a centralized RMS architecture, which delegates resource selection to the application launchers. Simulations show that the solution is both scalable and fair. The results are validated through a prototype implementation deployed on Grid’5000. Second, we focus on negotiating allocations on geographically-distributed resources, managed by multiple institutions. We build upon CooRMv1 and propose distCooRM, a distributed RMS architecture, which allows moldable applications to efficiently co-allocate resources managed by multiple independent agents. Simulation results show that distCooRM is well-behaved and scales well for a reasonable number of applications. Next, attention is shifted to run-time negotiation of resources, so as to improve support for malleable and evolving applications. We propose CooRMv2, a centralized RMS architecture, that enables efficient scheduling of evolving applications, especially non-predictable ones. It allows applications to inform the RMS about their maximum expected resource usage, through pre-allocations. Resources which are pre-allocated but unused can be filled by malleable applications. Simulation results show that considerable gains can be achieved. Last, production-ready software are used as a starting point, to illustrate the interest as well as the difficulty of improving cooperation between existing systems. GridTLSE is used as an application and DIET as an RMS to study a previously unsupported use-case. We identify the underlying problem of scheduling optional computations and propose an architecture to solve it. Real-life experiments done on the Grid’5000 platform show that several metrics are improved, such as user satisfaction, fairness and the number of completed requests. Moreover, it is shown that the solution is scalable.


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