SCALABLE AND FAULT TOLERANT HIERARCHICAL B&B ALGORITHMS FOR COMPUTATIONAL GRIDS
Résumé
Solving to optimality large instances of combinatorial optimization problems using Branch and Bound (B&B) algorithms requires a huge amount of computing resources. Nowadays, such power is provided by large scale environments such as computational grids. However, grids induce new challenges: scalability, heterogeneity, and fault tolerance. Most of existing gridbased B&Bs are developed using the Master-Worker paradigm, their scalability is therefore limited. Moreover fault tolerance is rarely addressed in these works. In this thesis, we propose three main contributions to deal with these issues: P2P-B&B, H-B&B, and FTH-B&B. P2PB& B is a MW-based B&B framework which deals with scalability by reducing the task request frequency and enabling direct communication between workers. H-B&B also deals with scalability. Unlike the state-of-the-art approaches, H-B&B is fully dynamic and adaptive, meaning it takes into account the dynamic acquisition of new computing resources. FTH-B&B is based on new fault tolerant mechanisms enabling efficient building of the hierarchy and maintaining its balancing, and minimizing of work redundancy when storing and recovering tasks. The proposed approaches have been implemented using ProActive grid-middleware and applied to the Flow-Shop scheduling Problem (FSP). The large scale experiments performed on Grid'5000 proved the efficiency of the proposed approaches.
La résolution exacte de problèmes d'optimisation combinatoire avec les algorithmes Branch and Bound (B&B) nécessite un nombre exorbitant de ressources de calcul. Actuellement, cette puissance est offerte par les environnements large échelle comme les grilles de calcul. Cependant, les grilles présentent de nouveaux challenges : le passage à l'échelle, l'hétérogénéité et la tolérance aux pannes. La majorité des algorithmes B&B revisités pour les grilles de calcul sont basés sur le paradigme Master-Worker, ce qui limite leur passage à l'échelle. De plus, la tolérance aux pannes est rarement adressée dans ces travaux. Dans cette thèse, nous proposons trois principales contributions : P2P-B&B, H-B&B et FTH-B&B. P2P-B&B est un famework basé sur le paradigme Master-Worker traite le passage à l'échelle par la réduction de la fréquence de requêtes de tâches et en permettant les communications directes entre les workers. H-B&B traite aussi le passage à l'échelle. Contrairement aux approches proposées dans la littérature, H-B&B est complètement dynamique et adaptatif i.e. prenant en compte l'acquisition dynamique des ressources de calcul. FTH-B&B est basé sur de nouveaux méchanismes de tolérance aux pannes permettant de construire et maintenir la hiérarchie équilibrée, et de minimiser la redondance de travail quand les tâches sont sauvegardées et restaurées. Les approches proposées ont été implémentées avec la plateforme pour grille ProActive et ont été appliquées au problème d'ordonnancement de type Flow-Shop. Les expérimentations large échelle effectuées sur la grille Grid'5000 ont prouvé l'éfficacité des approches proposées.
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