[論文レビュー] NodIO, a JavaScript framework for volunteer-based evolutionary algorithms : first results

J. J. Merelo, Mario García-Valdéz+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2016

Evolutionary Algorithms and Applications参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

NodIO は、ウェブブラウザーや Node.js を介して分散実行を可能にする、JavaScript に基づくボランティアコンピューティング用フレームワークである。JavaScript のパフォーランスは、基本的な関数評価において Java や MATLAB に比べて約 30% 遅いものの、多様なデバイスを活用した大規模なボランティア参加を考慮すると、中規模な問題に対しては競争力があることが示された。

ABSTRACT

JavaScript is an interpreted language mainly known for its inclusion in web browsers, making them a container for rich Internet based applications. This has inspired its use, for a long time, as a tool for evolutionary algorithms, mainly so in browser-based volunteer computing environments. Several libraries have also been published so far and are in use. However, the last years have seen a resurgence of interest in the language, becoming one of the most popular and thus spawning the improvement of its implementations, which are now the foundation of many new client-server applications. We present such an application for running distributed volunteer-based evolutionary algorithm experiments, and we make a series of measurements to establish the speed of JavaScript in evolutionary algorithms that can serve as a baseline for comparison with other distributed computing experiments. These experiments use different integer and floating point problems, and prove that the speed of JavaScript is actually competitive with other languages commonly used by the evolutionary algorithm practitioner.

研究の動機と目的

• ボランティアコンピューティングを活用した進化的アルゴリズム実験を、スケーラブルでアクセス可能なフレームワークとして設計すること。
• Java や MATLAB といった標準言語と比較して、JavaScript が進化的計算においてどの程度のパフォーランスを示すかを評価すること。
• オープンソースの透明性を活用して、匿名でブラウザベースのボランティアシステムにおける信頼性とセキュリティの課題を解決すること。
• ソフトウェアのインストールを必要とせずに、研究者が進化的アルゴリズムをデプロイおよび実行できるようにすること。
• クライアントサイド JavaScript を計算負荷の高い科学的計算に使用する可能性を検討すること。

提案手法

• フレームワークは RESTful API と JSON を用いたクライアント・サーバー間通信を実現するクライアント・サーバー・アーキテクチャを採用している。
• 進化的アルゴリズムの実行は、JavaScript を使用してブラウザ上で実行され、クライアントは 100 世代ごとに最良の個体を送信し、サーバーからランダムな個体を受信する。
• システムはシングルスレッド実行と Web Workers を用いた並列処理の両方をサポートしており、パフォーマンス向上を図っている。
• パフォーランス測定は、3.7 GHz の Quad-Core Intel Xeon E5 プロセッサを用い、JavaScript（Chrome、Firefox、Node.js）と Java、MATLAB を比較して実施した。
• 高精度なタイミングは、ブラウザでは Performance.now() 関数、Node.js では process.hrtime() を使用して達成した。
• フレームワークはオープンソースであり、フリーなライセンスで公開されており、完全なソースコードと匿名化された実験データが公開されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JavaScript は、ボランティアコンピューティング環境における進化的アルゴリズムの実装に実用的であると言えるか？
• RQ2 進化的アルゴリズムのフィットネス関数評価において、JavaScript のパフォーランスは Java や MATLAB と比べてどの程度か？
• RQ3 Web Workers やマルチスレーディングの使用が、JavaScript を用いた進化的アルゴリズムの実行速度に与える影響は何か？
• RQ4 科学的計算ワークロードにおいて、ブラウザ上での JavaScript 実行と Node.js 上での実行のパフォーランスに差は生じるか？
• RQ5 オープンソースの透明性と信頼構築メカニズムは、ボランティアベースの計算システムの信頼性とスケーラビリティをどの程度向上できるか？

主な発見

• 10,000 回のフィットネス関数評価における JavaScript のパフォーランスは、Chrome（1 つの Web Worker 使用時）で 1,238ms、Node.js で 1,234ms、2 つの並列 Web Workers 使用時で 1,279ms であった。
• JavaScript のパフォーランスは、Java（991ms）に比べて約 30% 遅く、MATLAB（935ms）に比べて約 32% 遅かったが、中規模な問題に対しては依然として競争力があった。
• メインスレッドと Web Workers での実行に差がほとんどなかったことから、この文脈では並列化によるスピードアップが限定的であることが示された。
• Performance.now() 関数は、Chrome と Firefox でマイクロ秒レベルの精度を達成したが、すべてのブラウザで利用可能ではなく、クロスブラウザでの一貫性に制限があった。
• Node.js とブラウザベースの JavaScript 実装のパフォーランスにほとんど差がなかったことから、クライアントサイドとサーバーサイドの両方の実行が同等に有効であることが示された。
• コードとデータのオープンソース・トランスペアレントな公開により信頼が醸成され、不正防止メカニズムの必要性が低下し、システムのスケーラビリティが向上した。