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