Algorithmes Branch-and-Bound Pair-à-Pair pour grilles de calcul

par Mathieu Djamaï

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Nouredine Melab et de Bilel Derbel.

Soutenue le 11-03-2013

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) .


  • Résumé

    Dans le domaine de l'Optimisation Combinatoire, la résolution de manière optimale de problèmes de grande taille par le biais d'algorithmes Branch-and-Bound requiert un nombre très élevé de ressources de calcul. De nos jours, de telles ressources sont accessibles grâce aux grilles de calcul, composées de grappes de clusters réparties sur différents sites géographiques. Ces environnements parallèles posent de nombreux défis scientifiques, notamment en termes de passage à l'échelle, de la prise en compte de l'hétérogénéité des ressources ainsi qu'en termes de tolérance aux pannes. La plupart des approaches existantes pour l'algorithme Branch-and-Bound parallèle sont basées sur une architecture de type Maître-Esclave, où un processus maître répartit les tâches à accomplir auprès de processus esclaves en charge de les traiter. L'utilisation d'une telle entité centrale constitue un obstacle majeur en ce qui concerne le passage à l'échelle. Dans cette thèse, nous proposons de relever ces défis ainsi que de surmonter cet obstacle grâce à une approche innovante et complètement distribuée, basée sur une architecture Pair-à-Pair (P2P). Celle-ci repose sur un seul type de processus (le pair), qui a pour mission d'explorer son propre ensemble de tâches, de le partager avec d'autres pairs et de diffuser l'information globale. Nous définissons des mécanismes adaptés en lien avec l'algorithme Branch-and-Bound, qui traitent de la répartition de la charge, de la diffusion de la meilleure solution trouvée et de la détection de la terminaison des calculs. En plus de multiples expérimentations sur le problème d'ordonnancement du Flow-Shop sur la grille de calcul Grid'5000, nous proposons une preuve formelle de la correction de notre approche. Par ailleurs, nous traitons une problématique souvent ignorés dans les travaux relatifs au calcul P2P, qui est l'importance de la topologie du réseau P2P. Généralement, une topologie très simple est utilisée. Les résultats obtenus montrent que notre approche permet le déploiement de réseaux de calculs à de très grandes échelles, constitués potentiellement de centaines de milliers de coeurs de calcul. Notre dernière contribution consiste en une approche Pair-à-Pair tolérante aux pannes afin de prendre en compte la nature généralement très volatile des ressources de calcul. Les résultats obtenus prouvent la robustesse de l'approche dans des environnements à la fois réalistes et sujets à de nombreux dysfonctionnements.

  • Titre traduit

    Peer-to-Peer Branch-and-Bound algorithms for computational grids


  • Résumé

    In the field of Combinatorial Optimization, the resolution to optimality of large instances of optimization problems through the use of Branch-and-Bound algorithms require a huge amount of computational resources. Nowadays, such resources are available from computing grids, which are sets of computing nodes geographically distributed over multiple sites. These parallel environments introduces multiples challenges related to the scalability, the heterogeneity of resources and the fault tolerance. Most of the existing approaches for the Branch-and-Bound algorithm are based on the Master-Slave paradigm where a central entity shares work units among slave entities in charge of processing them. Such an architecture represents an obstacle to scalability. In this thesis, we propose to face the challenges of grid environments and overcome this limitation by proposing an innovative and fully distributed approach based on the Peer-to-Peer paradigm. This architecture is based on a unique type of entity, a peer which is in charge of exploring its own local work pool and broadcasts global information to the network. We provide mechanisms to deal with the main tasks of the Branch-and-Bound algorithm : the load balancing, the diffusion of the best solution and the detection of the termination. Along with extensive experiments conducted on the Flow-Shop Scheduling Problem using the Grid'5000 Experimental Grid, we propose a formal proof of the correctness of our approach.In addition to this, we tackle a central issue when designing a Peer-to-Peer application : the impact of the P2P network topology on the performance of our approach. This aspect is often ignored in most of existing works, where only a predefined organization is chosen for the peers. The obtained results showed that the approach allows to deploy computing networks at extreme scales, involving hundreds of thousands of computing cores. Our final contribution consists in a Fault-Tolerant approach to deal with the dynamicity of the network (the volatility of computational resources). Results indicate that it faces efficiently various real-case and failure-intensive situations.


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