[論文レビュー] A Round-Robin Packet Scheduler for Hierarchical Max-Min Fairness

Natchanon Luangsomboon, Jörg Liebeherr|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2021

Network Traffic and Congestion Control参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、計算量を低く抑え、高速ネットワークにおけるラインレート動作を可能にする階層的max-min公平性を達成するHLSというラウンドロビン型パケットスケジューラを提案する。階層を重み付きサービスを備えた平坦なラウンドロビンシステムとしてモデル化することで、最小レート保証、隔離、および余剰帯域幅の公平な分配を確保し、公平性においてCBQやHTBを上回りながら、同等のオーバーヘッドを維持する。

ABSTRACT

Hierarchical link sharing addresses the demand for fine-grain traffic control at multiple levels of aggregation. At present, packet schedulers that can support hierarchical link sharing are not suitable for an implementation at line rates, and deployed schedulers perform poorly when distributing excess capacity to classes that need additional bandwidth. We present HLS, a packet scheduler that ensures a hierarchical max-min fair allocation of the link bandwidth. HLS supports minimum rate guarantees and isolation between classes. Since it is realized as a non-hierarchical round robin scheduler, it is suitable to operate at high rates. We implement HLS in the Linux kernel and evaluate it with respect to achieved rate allocations and overhead. We compare the results with those obtained for CBQ and HTB, the existing scheduling algorithms in Linux for hierarchical link sharing. We show that the overhead of HLS is comparable to that of other classful packet schedulers.

研究の動機と目的

• 実装可能で高性能なパケットスケジューラが、保証された公平性を伴う階層的リンク共有をサポートするものが不足しているという問題に取り組む。
• CBQ や HTB のような既存のスケジューラが、余剰帯域幅の分配が不十分で、戦略的公平性に欠けるという制限を克服する。
• ラインレート動作に適したスケジューラを設計し、トラフィッククラス間の最小レート保証と隔離を維持する。
• 階層構造内のバックログがあるクラス間で、未使用帯域幅を公平に分配する。
• 提案されたスケジューラが、既存のクラスベーススケジューラと同等の性能オーバーヘッドで公平性を達成することを示す。

提案手法

• 各リーフクラスを、保証レートに比例する重みを持つ仮想キューとして扱うことで、階層的クラス構造を平坦で重み付きラウンドロビンシステムとしてモデル化する。
• DRRにインspiredされたデフィシットベースラウンドロビン機構を用いて、可変サイズのパケット間の公平性を保証するリーフレベルでのパケットスケジューリングを実現する。
• 重み付き保証に基づいてクラスをインタリーブすることで、階層構造を平坦なスケジューリングフレームワークにマッピングし、複数段階の仮想トーナメントの複雑さを回避する。
• LinuxカーネルにQdisc（トラフィックコントロールデバイス）として実装することで、実世界の評価と既存のネットワーキングスタックへの統合を可能にする。
• 余剰容量が利用可能で公平に分配される場合に限り、どのクラスも保証レートを超えて送信できないようにすることで、レート隔離を強制する。
• パケット分類をフィルタールールを用いて実施し、受信パケットを対応するリーフクラスにマッピングするが、使用するフィルタ数に依存して性能が変化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラウンドロビンベースのスケジューラは、ラインレート動作に適した低計算量で階層的max-min公平性を達成できるか？
• RQ2 提案されたスケジューラは、余剰帯域幅の割り当てにおいてCBQやHTBと比べてどれほど公平性に優れているか？
• RQ3 既存のクラスベーススケジューラと比較して、スケジューラの実装が顕著な性能オーバーヘッドを引き起こすか？
• RQ4 クラスが内部階層を誤って報告したり、送信レートを増やしたりしても、帯域幅を増やせない戦略的公平性（strategy-proof）を満たしているか？
• RQ5 多数のリーフクラスにスケーリングした場合でも、スケジューラは公平性と低オーバーヘッドを維持できるか？

主な発見

• HLSは、余剰帯域幅をバックログがあるクラス間で公平に分配することで、CBQ や HTB に見られる偏りを回避し、階層的max-min公平性を達成する。
• スケジューラは最小レート保証と隔離を維持し、余剰容量が利用可能でない限り、どのクラスも割り当てられたレートを超えて送信できない。
• 評価の結果、HLSはCBQ や HTB と同等のオーバーヘッドを示し、テストされた構成では性能ボトルネックは観察されなかった。
• スケジューラの性能はパケット分類の設定に敏感であり、ルートでフィルタが適用されている場合、100個を超えるリーフクラスを超えると性能が急激に低下する。
• HLSは、一部のクラスが保証レートを超えて送信し、他のクラスが未満にとどまる混合トラフィックのシナリオにおいて、CBQ や HTB よりも優れた公平性指標を示す。
• スケジューラは戦略的公平性を満たしており、クラスが送信レートを増やしたり内部階層を操作しても、割り当てを増やせない。