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[simgrid.git] / doc / doxygen / introduction.doc
1 /*! @page introduction Introduction to SimGrid
2
3 [SimGrid](http://simgrid.gforge.inria.fr/) is a toolkit
4 that provides core functionalities for the simulation of distributed
5 applications in heterogeneous distributed environments.
6
7 The specific goal of the project is to facilitate research in the area of
8 distributed and parallel application scheduling on distributed computing
9 platforms ranging from simple network of workstations to Computational
10 Grids.
11
12 # Scenario
13 The goal of this practical session is to illustrate various usage of
14 the MSG interface. To this end we will use the following simple setting:
15
16 > Assume we have a (possibly large) bunch of (possibly large) data to
17 > process and which originally reside on a server (a.k.a. master). For
18 > sake of simplicity, we assume all input file require the same amount
19 > of computation. We assume the server can be helped by a (possibly
20 > large) set of worker machines. What is the best way to organize the
21 > computations ?
22
23 Although this looks like a very simple setting it raises several
24 interesting questions:
25
26 - Which algorithm should the master use to send workload?
27
28     The most obvious algorithm would be to send tasks to workers in a
29     round-robin fashion. This is the initial code we provide you.
30
31     A less obvious but probably more efficient approach would be to set up
32     a request mechanism where a client first ask for tasks, which allows
33     the server to decide which request to answer and possibly to send
34     the tasks to the fastest machines. Maybe you can think of a
35     smarter mechanism...
36
37 - How many tasks should the client ask for?
38
39     Indeed, if we set up a request mechanism so that workers only
40     send request whenever they have no more task to process, they are
41     likely to be poorly exploited since they will have to wait for the
42     master to consider their request and for the input data to be
43     transferred. A client should thus probably request a pool of tasks
44     but if it requests too many tasks, it is likely to lead to a poor
45     load-balancing...
46
47 - How is the quality of such algorithm dependent on the platform
48     characteristics and on the task characteristics?
49
50     Whenever the input communication time is very small compared to
51     processing time and workers are homogeneous, it is likely that the
52     round-robin algorithm performs very well. Would it still hold true
53     when transfer time is not negligible and the platform is, say,
54     a volunteer computing system ?
55
56 - The network topology interconnecting the master and the workers
57   may be quite complicated. How does such a topology impact the
58   previous result?
59
60     When data transfers are the bottleneck, it is likely that a good
61     modeling of the platform becomes essential. In this case, you may
62     want to be able to account for complex platform topologies.
63
64 - Do the algorithms depend on a perfect knowledge of this
65   topology?
66
67     Should we still use a flat master worker deployment or should we
68     use a
69
70 - How is such an algorithm sensitive to external workload variation?
71
72     What if bandwidth, latency and power can vary with no warning?
73     Shouldn't you study whether your algorithm is sensitive to such
74     load variations?
75
76 - Although an algorithm may be more efficient than another, how
77   does it interfere with other applications?
78
79     %As you can see, this very simple setting may need to evolve way
80     beyond what you initially imagined.
81
82     <blockquote> Premature optimization is  the root of all evil. -- D.E.Knuth</blockquote>
83
84     Furthermore, writing your own simulator is much harder than you
85     may imagine. This is why you should rely on an established and flexible
86     one.
87
88 The following figure is a screenshot of [triva][fn:1] visualizing a [SimGrid
89 simulation][fn:2] of two master worker applications (one in light gray and
90 the other in dark gray) running in concurrence and showing resource
91 usage over a long period of time.
92
93 ![Test](./sc3-description.png)
94
95 # Prerequisites
96
97 ## Tutorials
98
99 A lot of information on how to install and use Simgrid are
100 provided by the [online documentation][fn:4] and by several tutorials:
101
102 - http://simgrid.gforge.inria.fr/tutorials/simgrid-use-101.pdf
103 - http://simgrid.gforge.inria.fr/tutorials/simgrid-tracing-101.pdf
104 - http://simgrid.gforge.inria.fr/tutorials/simgrid-platf-101.pdf
105
106 ## Installing SimGrid
107
108 In case you're using [Debian](https://www.debian.org) or a derivate,
109 such as Ubuntu or Mint, you can install SimGrid by using the provided
110 packages:
111
112     sudo apt-get install libsimgrid-dev
113
114 This tutorial requires simgrid 3.8 at least so you may need to get
115 the [debian packages](http://packages.debian.org/libsimgrid-dev).
116
117 Please note that your distribution may ship with an old version of
118 SimGrid; you may want to use [a newer release](https://gforge.inria.fr/frs/?group_id=12)
119 or even [clone our git repository](https://gforge.inria.fr/frs/?group_id=12)
120 (a [GitHub mirror](https://github.com/mquinson/simgrid) is also available).
121
122 # Recommended Steps
123
124 ## Installing Viva
125
126 This [software][fn:1] will be useful to make fancy graph or treemap
127 visualizations and get a better understanding of simulations. You
128 will first need to install pajeng:
129
130 ~~~~{.sh}
131 sudo apt-get install git cmake build-essential libqt4-dev  libboost-dev freeglut3-dev ;
132 git clone https://github.com/schnorr/pajeng.git
133 cd pajeng && mkdir -p build &&  cd build && cmake ../ -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=$HOME &&  make -j install
134 cd ../../
135 ~~~~
136
137 Then you can install viva.
138
139 ~~~~{.sh}
140 sudo apt-get install libboost-dev libconfig++-dev libconfig8-dev libgtk2.0-dev freeglut3-dev
141 git clone https://github.com/schnorr/viva.git
142 cd viva && mkdir -p build_graph &&  cd build_graph && cmake ../ -DTUPI_LIBRARY=ON -DVIVA=ON -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=$HOME &&  make -j install
143 cd ../../
144 ~~~~
145
146 ## Installing Paje
147
148 This [software][fn:5] provides a Gantt-chart visualization.
149
150 ~~~~{.sh}
151 sudo apt-get install paje.app
152 ~~~~
153
154 ## Installing Vite
155
156 This software provides a [Gantt-chart visualization][fn:6].
157
158 ~~~~{.sh}
159 sudo apt-get install vite
160 ~~~~
161
162 # Let's get Started
163 ## Setting up and Compiling
164
165 The corresponding archive with all source files and platform files
166 can be obtained [here](http://simgrid.gforge.inria.fr/tutorials/msg-tuto/msg-tuto.tgz).
167
168 ~~~~{.sh}
169 tar zxf msg-tuto.tgz
170 cd msg-tuto/src
171 make
172 ~~~~
173
174 %As you can see, there is already a nice Makefile that compiles
175 everything for you. Now the tiny example has been compiled and it
176 can be easily run as follows:
177
178 ~~~~{.sh}
179 ./masterworker0 platforms/platform.xml deployment0.xml 2>&1
180 ~~~~
181
182 If you create a single self-content C-file named foo.c, the
183 corresponding program will be simply compiled and linked with
184 SimGrid by typing:
185
186 ~~~~{.sh}
187 make foo
188 ~~~~
189
190 For a more "fancy" output, you can try:
191
192 ~~~~{.sh}
193 ./masterworker0 platforms/platform.xml deployment0.xml 2>&1 | simgrid-colorizer
194 ~~~~
195
196 For a really fancy output, you should use [viva/triva][fn:1]:
197
198 ~~~~{.sh}
199 ./masterworker0 platforms/platform.xml deployment0.xml --cfg=tracing:yes \
200     --cfg=tracing/uncategorized:yes --cfg=viva/uncategorized:uncat.plist
201 LANG=C ; viva simgrid.trace uncat.plist
202 ~~~~
203
204 For a more classical Gantt-Chart visualization, you can produce a
205 [Paje][fn:5] trace:
206
207 ~~~~{.sh}
208 ./masterworker0 platforms/platform.xml deployment0.xml --cfg=tracing:yes \
209     --cfg=tracing/msg/process:yes
210 LANG=C ; Paje simgrid.trace
211 ~~~~
212
213 Alternatively, you can use [vite][fn:6].
214
215 ~~~~{.sh}
216 ./masterworker0 platforms/platform.xml deployment0.xml --cfg=tracing:yes \
217     --cfg=tracing/msg/process:yes --cfg=tracing/basic:yes
218 vite simgrid.trace
219 ~~~~
220
221 ## Getting Rid of Workers in the Deployment File
222
223 In the previous example, the deployment file `deployment0.xml`
224 is tightly connected to the platform file `platform.xml` and a
225 worker process is launched on each host:
226
227 ~~~~{.xml}
228 <?xml version='1.0'?>
229 <!DOCTYPE platform SYSTEM "http://simgrid.gforge.inria.fr/simgrid.dtd">
230 <platform version="3">
231   <!-- The master process (with some arguments) -->
232   <process host="Tremblay" function="master">
233      <argument value="20"/>       <!-- Number of tasks -->
234      <argument value="50000000"/>  <!-- Computation size of tasks -->
235      <argument value="1000000"/>   <!-- Communication size of tasks -->
236      <argument value="Jupiter"/>  <!-- First worker -->
237      <argument value="Fafard"/>   <!-- Second worker -->
238      <argument value="Ginette"/>  <!-- Third worker -->
239      <argument value="Bourassa"/> <!-- Last worker -->
240      <argument value="Tremblay"/> <!-- Me! I can work too! -->
241   </process>
242   <!-- The worker process (with no argument) -->
243   <process host="Tremblay" function="worker" on_failure="RESTART"/>
244   <process host="Jupiter" function="worker" on_failure="RESTART"/>
245   <process host="Fafard" function="worker" on_failure="RESTART"/>
246   <process host="Ginette" function="worker" on_failure="RESTART"/>
247   <process host="Bourassa" function="worker" on_failure="RESTART"/>
248 </platform>
249 ~~~~
250
251 This is ok as the platform is rather small but will be painful when
252 using larger platforms. Instead, modify the simulator
253 `masterworker0.c` into `masterworker1.c` so that the master
254 launches a worker process on all the other machines at startup. The
255 new deployment file `deployment1.xml` should thus now simply be:
256
257 ~~~~{.xml}
258 <?xml version='1.0'?>
259 <!DOCTYPE platform SYSTEM "http://simgrid.gforge.inria.fr/simgrid.dtd">
260 <platform version="3">
261   <!-- The master process (with some arguments) -->
262   <process host="Tremblay" function="master">
263      <argument value="20"/>       <!-- Number of tasks -->
264      <argument value="50000000"/>  <!-- Computation size of tasks -->
265      <argument value="1000000"/>   <!-- Communication size of tasks -->
266   </process>
267 </platform>
268 ~~~~
269
270 To this end you may need the following MSG functions (click on the links
271 to see their descriptions):
272
273 ~~~~{.c}
274 int MSG_get_host_number(void);
275 xbt_dynar_t MSG_hosts_as_dynar(void);
276 void * xbt_dynar_to_array (xbt_dynar_t dynar);
277 msg_process_t MSG_process_create(const char *name, xbt_main_func_t code,
278                                  void *data, msg_host_t host);
279 ~~~~
280
281 \note
282     It may avoid bugs later to avoid launching a worker on
283     the master host so you probably want to remove it from the host
284     list.
285
286 The `data` field of the @ref MSG_process_create can be used to pass
287 a channel name that will be private between master
288 and workers (e.g., `master_name:worker_name`). Adding the
289 `master_name` in the channel name will allow to easily have several
290 masters and a worker per master on each machine. To this end, you
291 may need to use the following functions:
292
293 ~~~~{.c}
294 msg_host_t MSG_host_self(void);
295 const char * MSG_host_get_name(msg_host_t host);
296 msg_process_t MSG_process_self(void);
297 void * MSG_process_get_data(msg_process_t process);
298 ~~~~
299
300 If you are not too familiar with string
301 manipulation in C, you may want to use the following functions
302 (see the C reference for details):
303
304 ~~~~{.c}
305 char *strcpy(char *dest, const char *src);
306 char *strcat(char *dest, const char *src);
307 ~~~~
308
309 ## Setting up a Time Limit Mechanism
310
311 In the current version, the number of tasks is defined through the
312 worker arguments. Hence, tasks are created at the very beginning of
313 the simulation. Instead, create tasks as needed and provide a time
314 limit indicating when it stops sending tasks. To this end, you will
315 obviously need to know what time it is:
316
317 ~~~~{.c}
318 double MSG_get_clock(void);
319 ~~~~
320
321 Otherwise, a quite effective way of terminating the simulation
322 would be to use some of the following functions:
323
324 ~~~~{.c}
325 void MSG_process_kill(msg_process_t process);
326 int MSG_process_killall(int reset_PIDs);
327 ~~~~
328
329 Anyway, the new deployment `deployment2.xml` file should thus look
330 like this:
331
332 ~~~~{.xml}
333 <?xml version='1.0'?>
334 <!DOCTYPE platform SYSTEM "http://simgrid.gforge.inria.fr/simgrid.dtd">
335 <platform version="3">
336   <process host="Tremblay" function="master">
337      <argument value="3600"/>      <!-- Simulation timeout -->
338      <argument value="50000000"/>  <!-- Computation size of tasks -->
339      <argument value="1000000"/>   <!-- Communication size of tasks -->
340   </process>
341 </platform>
342 ~~~~
343
344 It may also be a good idea to transform most of the `XBT_INFO` into
345 `XBT_DEBUG` (e.g., keep the information on the total number of
346 tasks processed). These debug messages can be activated as follows:
347
348 ~~~~{.sh}
349 ./masterworker2 platforms/platform.xml deployment2.xml --log=msg_test.thres:debug
350 ~~~~
351
352 ## Using the Tracing Mechanism
353
354 SimGrid can trace all resource consumption and the outcome can be
355 displayed with viva as illustrated in the section "Setting up and Compiling". However, when several
356 masters are deployed, it is hard to understand what happens.
357
358 ~~~~{.xml}
359 <?xml version='1.0'?>
360 <!DOCTYPE platform SYSTEM "http://simgrid.gforge.inria.fr/simgrid.dtd">
361 <platform version="3">
362   <process host="Tremblay" function="master">
363      <argument value="3600"/>      <!-- Simulation timeout -->
364      <argument value="50000000"/>  <!-- Computation size of tasks -->
365      <argument value="10"/>   <!-- Communication size of tasks -->
366   </process>
367   <process host="Fafard" function="master">
368      <argument value="3600"/>      <!-- Simulation timeout -->
369      <argument value="50000000"/>  <!-- Computation size of tasks -->
370      <argument value="10"/>   <!-- Communication size of tasks -->
371   </process>
372   <process host="Jupiter" function="master">
373      <argument value="3600"/>      <!-- Simulation timeout -->
374      <argument value="50000000"/>  <!-- Computation size of tasks -->
375      <argument value="10"/>   <!-- Communication size of tasks -->
376   </process>
377 </platform>
378 ~~~~
379
380 So let's use categories to track more precisely who does what and when:
381
382 ~~~~{.c}
383 void TRACE_category(const char *category);
384 void MSG_task_set_category (msg_task_t task, const char *category);
385 ~~~~
386
387 The outcome can then be visualized as follows:
388
389 ~~~~{.sh}
390 ./masterworker3 platforms/platform.xml deployment3.xml --cfg=tracing:yes\
391     --cfg=tracing/categorized:yes --cfg=viva/categorized:viva_cat.plist
392 LANG=C; viva simgrid.trace viva_cat.plist
393 ~~~~
394
395 Right now, you should realize that nothing is behaving like you
396 expect. Most workers are idle even though input data are ridiculous
397 and there are several masters deployed on the platform. Using a
398 Gantt-chart visualization may help:
399
400 ~~~~{.sh}
401 ./masterworker3 platforms/platform.xml deployment3.xml --cfg=tracing:yes \
402     --cfg=tracing/msg/process:yes
403 LANG=C; Paje simgrid.trace
404 ~~~~
405
406 OK, so it should now be obvious that round robin is actually
407 very bad.
408
409 ## Improving the Scheduling
410
411 Instead of a round-robin scheduling, let's implement a first-come
412 first-served mechanism. To this end, workers need to send a tiny
413 request first. A possible way to implement such a request with MSG
414 is to send on a specific channel (e.g., the name of the master
415 name) a task with payload 0 and whose attached data is the worker
416 name. This way, the master can keep track of which workers are idle
417 and willing to work.
418
419 To know whether it has pending requests, the master can use the
420 following [function][fn:7]:
421
422 ~~~~{.c}
423 int MSG_task_listen(const char *alias);
424 ~~~~
425
426 If so, it should get the request and push the corresponding host
427 into a dynar so that they can later be retrieved when sending a
428 real [task][fn:7].
429
430 ~~~~{.c}
431 xbt_dynar_t xbt_dynar_new(const unsigned long elm_size,
432                           void_f_pvoid_t const free_f);
433 void xbt_dynar_push(xbt_dynar_t const dynar, const void *src);
434 void xbt_dynar_shift(xbt_dynar_t const dynar, void *const dst);
435 unsigned long xbt_dynar_length(const xbt_dynar_t dynar);
436 ~~~~
437
438 %As you will soon realize, with such simple mechanisms, simple
439 deadlocks will soon appear. They can easily be removed with a
440 simple polling mechanism, hence the need for the following
441 [function][fn:7]:
442
443 ~~~~{.c}
444 msg_error_t MSG_process_sleep(double nb_sec);
445 ~~~~
446
447 %As you should quickly realize, on the simple previous example, it
448 will double the throughput of the platform but will be quite
449 ineffective when input size of the tasks is not negligible anymore.
450
451 From this, many things can easily be added. For example, you could:
452 - add a performance measurement mechanism;
453 - enable the master to make smart scheduling choices using
454   measurement information;
455 - allow workers to have several pending requests so as to overlap
456   communication and computations as much as possible;
457 - ...
458
459 ## Using More Elaborate Platforms
460
461 SimGrid offers a rather powerful platform modeling mechanism. The
462 `src/platform/` repository comprises a variety of platform ranging
463 from simple ones to quite elaborated ones. Associated to a good
464 visualization tool to ensure your simulation is meaningful, they
465 can allow you to study to which extent your algorithm scales...
466
467 What is the largest number of tasks requiring 50e6 flops and 1e5
468 bytes that you manage to distribute and process in one hour on
469 `g5k.xml` (you should use `deployment_general.xml`)?
470
471 # Points to improve for the next time
472
473 - Propose equivalent exercises and skeleton in java.
474 - Propose a virtualbox image with everything (simgrid, paje, viva,
475   ...) already set up.
476 - Ease the installation on mac OS X (binary installer) and
477   windows.
478 - Explain that programming in C or java and having a working
479   development environment is a prerequisite.
480
481 [fn:1]: http://triva.gforge.inria.fr/index.html
482 [fn:2]: http://hal.inria.fr/inria-00529569
483 [fn:3]: http://hal.inria.fr/hal-00738321
484 [fn:4]: http://simgrid.gforge.inria.fr/documentation.html
485 [fn:5]: http://paje.sourceforge.net/
486 [fn:6]: http://vite.gforge.inria.fr/
487
488
489
490
491
492 */