[논문 리뷰] NodIO, a JavaScript framework for volunteer-based evolutionary algorithms : first results

J. J. Merelo, Mario García-Valdéz외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 07.

Evolutionary Algorithms and Applications참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

NodIO는 브라우저와 Node.js를 통해 분산 실행을 가능하게 하는 자바스크립트 기반 프레임워크로, 진화 알고리즘에서 자원 기부 컴퓨팅을 위한 것입니다. 이 프레임워크는 자바스크립트의 성능이 기본 함수 평가에서 자바나 MATLAB에 비해 약 30% 느리지만, 다양한 기기에서 대규모 자원 기부 참여를 활용할 경우 중규모 문제에 대해 경쟁력 있는 성능을 보임을 보여줍니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자원 기부 컴퓨팅을 활용해 진화 알고리즘 실험을 실행하기 위한 확장성 있고 접근 가능한 프레임워크를 설계하기.
• 자바스크립트의 성능이 자바나 MATLAB 같은 기존 언어에 비해 진화 계산에서 어떻게 비교되는지 평가하기.
• 오픈소스 투명성으로 인해 익명의 브라우저 기반 자원 기부 시스템에서 신뢰와 보안 문제를 해결하기.
• 소프트웨어 설치 없이도 연구자가 진화 알고리즘을 배포하고 실행할 수 있도록 하기.
• 클라이언트 측 자바스크립트를 과학적 계산 워크로드에 사용할 수 있는지의 가능성을 탐색하기.

제안 방법

• 프레임워크는 브라우저 기반 클라이언트와 Node.js 서버 간의 통신을 위해 RESTful API와 JSON을 사용하는 클라이언트-서버 아키텍처를 채택합니다.
• 진화 알고리즘 실행은 자바스크립트를 사용해 브라우저에서 이루어지며, 클라이언트는 매 100세대마다 최고의 개체를 서버에 전송하고, 서버로부터 무작위 개체를 수신합니다.
• 시스템은 단일 스레드 실행과 웹 워크러를 통한 병렬 처리를 모두 지원하여 성능을 향상시킵니다.
• 성능 측정은 3.7GHz 4코어 인텔 Xeon E5 프로세서를 사용하여 자바스크립트(크롬, 파이어폭스, Node.js)와 자바, MATLAB 간의 성능을 비교하여 수행되었습니다.
• 고정밀도 타이밍은 브라우저에서 Performance.now() 함수와 Node.js에서 process.hrtime() 함수를 사용하여 달성되었습니다.
• 프레임워크는 오픈소스이며 자유 라이선스 하에 배포되며, 전체 소스 코드와 익명화된 실험 데이터가 공개되어 있습니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자원 기부 컴퓨팅 환경에서 진화 알고리즘을 구현하는 데 자바스크립트가 실용적인 언어가 될 수 있는가?
• RQ2 자바스크립트의 성능은 자바스크립트와 MATLAB에 비해 진화 알고리즘의 적합도 함수 평가에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 웹 워크러와 멀티스레딩이 자바스크립트 기반 진화 알고리즘의 실행 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 과학적 계산 워크로드에서 자바스크립트의 브라우저 성능과 Node.js 성능 간의 비교는 어떠한가?
• RQ5 오픈소스 투명성과 신뢰 구축 메커니즘은 자원 기부 기반 컴퓨팅 시스템의 신뢰성과 확장성에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 10,000개의 적합도 함수 평가에 대해 크롬(단일 웹 워크러)에서 자바스크립트 성능은 1,238ms, Node.js에서는 1,234ms, 두 개의 병렬 웹 워크러를 사용할 경우 1,279ms였습니다.
• 자바스크립트의 성능은 자바(991ms)에 비해 약 30% 느리고, MATLAB(935ms)에 비해 약 32% 느렸지만, 중규모 문제에 대해서는 여전히 경쟁력 있었습니다.
• 메인 스레드에서 실행할 경우와 웹 워크러에서 실행할 경우의 성능 차이가 거의 없었으며, 이는 이 맥락에서 병렬 처리가 제한된 성능 향상을 가져옴을 시사합니다.
• Performance.now() 함수는 크롬과 파이어폭스에서 마이크로초 수준의 정밀도를 제공했지만, 모든 브라우저에서 사용 가능한 것은 아니었으며, 이는 브라우저 간 일관성에 제약을 주었습니다.
• Node.js와 브라우저 기반 자바스크립트 실행 간 성능에 거의 차이가 없었으며, 이는 클라이언트 측과 서버 측 실행이 모두 실현 가능하다는 것을 의미합니다.
• 코드와 데이터의 오픈소스 및 투명한 배포로 인해 신뢰가 구축되었고, 부정행위 방지 메커니즘의 필요성이 줄어들어 시스템의 확장성이 향상되었습니다.