Exploration of parallel graph-processing algorithms on distributed architectures

par Julien Collet

Thèse de doctorat en Technologies de l'Information et des Systèmes : Unité de recherche Heudyasic (UMR-7253)

Sous la direction de Jacques Carlier et de Renaud Sirdey.

Soutenue le 06-12-2017

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Heuristique et Diagnostic des Systèmes Complexes [Compiègne] / Heudiasyc (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Exploration d’algorithmes de traitement parallèle de graphes sur architectures distribuées


  • Résumé

    Avec l'explosion du volume de données produites chaque année, les applications du domaine du traitement de graphes ont de plus en plus besoin d'être parallélisées et déployées sur des architectures distribuées afin d'adresser le besoin en mémoire et en ressource de calcul. Si de telles architectures larges échelles existent, issue notamment du domaine du calcul haute performance (HPC), la complexité de programmation et de déploiement d’algorithmes de traitement de graphes sur de telles cibles est souvent un frein à leur utilisation. De plus, la difficile compréhension, a priori, du comportement en performances de ce type d'applications complexifie également l'évaluation du niveau d'adéquation des architectures matérielles avec de tels algorithmes. Dans ce contexte, ces travaux de thèses portent sur l’exploration d’algorithmes de traitement de graphes sur architectures distribuées en utilisant GraphLab, un Framework de l’état de l’art dédié à la programmation parallèle de tels algorithmes. En particulier, deux cas d'applications réelles ont été étudiées en détails et déployées sur différentes architectures à mémoire distribuée, l’un venant de l’analyse de trace d’exécution et l’autre du domaine du traitement de données génomiques. Ces études ont permis de mettre en évidence l’existence de régimes de fonctionnement permettant d'identifier des points de fonctionnements pertinents dans lesquels on souhaitera placer un système pour maximiser son efficacité. Dans un deuxième temps, une étude a permis de comparer l'efficacité d'architectures généralistes (type commodity cluster) et d'architectures plus spécialisées (type serveur de calcul hautes performances) pour le traitement de graphes distribué. Cette étude a démontré que les architectures composées de grappes de machines de type workstation, moins onéreuses et plus simples, permettaient d'obtenir des performances plus élevées. Cet écart est d'avantage accentué quand les performances sont pondérées par les coûts d'achats et opérationnels. L'étude du comportement en performance de ces architectures a également permis de proposer in fine des règles de dimensionnement et de conception des architectures distribuées, dans ce contexte. En particulier, nous montrons comment l’étude des performances fait apparaitre les axes d’amélioration du matériel et comment il est possible de dimensionner un cluster pour traiter efficacement une instance donnée. Finalement, des propositions matérielles pour la conception de serveurs de calculs plus performants pour le traitement de graphes sont formulées. Premièrement, un mécanisme est proposé afin de tempérer la baisse significative de performance observée quand le cluster opère dans un point de fonctionnement où la mémoire vive est saturée. Enfin, les deux applications développées ont été évaluées sur une architecture à base de processeurs basse-consommation afin d'étudier la pertinence de telles architectures pour le traitement de graphes. Les performances mesurés en utilisant de telles plateformes sont encourageantes et montrent en particulier que la diminution des performances brutes par rapport aux architectures existantes est compensée par une efficacité énergétique bien supérieure.


  • Résumé

    With the advent of ever-increasing graph datasets in a large number of domains, parallel graph-processing applications deployed on distributed architectures are more and more needed to cope with the growing demand for memory and compute resources. Though large-scale distributed architectures are available, notably in the High-Performance Computing (HPC) domain, the programming and deployment complexity of such graphprocessing algorithms, whose parallelization and complexity are highly data-dependent, hamper usability. Moreover, the difficult evaluation of performance behaviors of these applications complexifies the assessment of the relevance of the used architecture. With this in mind, this thesis work deals with the exploration of graph-processing algorithms on distributed architectures, notably using GraphLab, a state of the art graphprocessing framework. Two use-cases are considered. For each, a parallel implementation is proposed and deployed on several distributed architectures of varying scales. This study highlights operating ranges, which can eventually be leveraged to appropriately select a relevant operating point with respect to the datasets processed and used cluster nodes. Further study enables a performance comparison of commodity cluster architectures and higher-end compute servers using the two use-cases previously developed. This study highlights the particular relevance of using clustered commodity workstations, which are considerably cheaper and simpler with respect to node architecture, over higher-end systems in this applicative context. Then, this thesis work explores how performance studies are helpful in cluster design for graph-processing. In particular, studying throughput performances of a graph-processing system gives fruitful insights for further node architecture improvements. Moreover, this work shows that a more in-depth performance analysis can lead to guidelines for the appropriate sizing of a cluster for a given workload, paving the way toward resource allocation for graph-processing. Finally, hardware improvements for next generations of graph-processing servers areproposed and evaluated. A flash-based victim-swap mechanism is proposed for the mitigation of unwanted overloaded operations. Then, the relevance of ARM-based microservers for graph-processing is investigated with a port of GraphLab on a NVIDIA TX2-based architecture.


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