[論文レビュー] Backpressure-based Packet-by-Packet Adaptive Routing in Communication Networks

E. Athanasopoulou, Loc Bui+3 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、確率的ルーティングテーブルとシャロウキューを用いてルーティングとスケジューリングを分離することで、遅延を著しく低減しながらスループット最適性を維持する、新しいバックプレッシャーに基づく適応型ルーティングアルゴリズムを提案する。この手法により、低複雑性の各次のホップごとのキューイングが可能となり、有線および無線ネットワークにおけるルーティングとネットワークコーディングのトレードオフを最適にバランスできる。

ABSTRACT

Backpressure-based adaptive routing algorithms where each packet is routed along a possibly different path have been extensively studied in the literature. However, such algorithms typically result in poor delay performance and involve high implementation complexity. In this paper, we develop a new adaptive routing algorithm built upon the widely-studied back-pressure algorithm. We decouple the routing and scheduling components of the algorithm by designing a probabilistic routing table which is used to route packets to per-destination queues. The scheduling decisions in the case of wireless networks are made using counters called shadow queues. The results are also extended to the case of networks which employ simple forms of network coding. In that case, our algorithm provides a low-complexity solution to optimally exploit the routing-coding tradeoff.

研究の動機と目的

• 従来のバックプレッシャーに基づく適応型ルーティングアルゴリズムにおける悪化した遅延性能と高い実装複雑性を解消すること。
• バックプレッシャーアルゴリズムにおけるルーティングとスケジューリングの意思決定を分離し、遅延の低減とキュー管理のオーバーヘッド削減を実現すること。
• シンプルなネットワークコーディングを用いるネットワークにおいて、ルーティングとコーディングのトレードオフを最適に活用し、リソース使用量と遅延を最小限に抑えること。
• スケーラブルで低複雑性のソリューションを設計し、各次のホップごとのキューを維持しながらスループット最適性を達成すること。

提案手法

• スケジューリングとルーティングの分離を可能にするためにシャロウキューを導入し、各宛先向けパス選択に確率的ルーティングテーブルを用いる。
• ラグランジュ乗数（仮想キューとして解釈される）のための確率的勾配類似更新を用い、マックスウェイト最適化によりルーティング意思決定を誘導する。
• シャロウキューのバックプレッシャーを用いて更新される確率的ルーティングテーブルを採用し、パケット1件あたりの平均ホップ数を最小化する。
• バックプレッシャー定式化をコーディング認識のリンク指標を含める形に拡張することで、無線ネットワークにネットワークコーディングを組み込む。
• スループットを損なわずにエンドツーエンド遅延を低減するために、最短ホップ数を目的関数に組み込む。
• 各ノードに宛先ごとのカウンタ（シャロウキュー）を維持する一方で、実際のキューは各次のホップごととする。これにより実装の複雑さが低減される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックプレッシャーに基づく適応型ルーティングを再設計することで、従来のバックプレッシャー型ルーティングと比較して著しく遅延を低減しつつスループット最適性を維持できるか？
• RQ2 バックプレッシャーアルゴリズムにおいて、ルーティングとスケジューリングをどのように効果的に分離できるか？これにより複雑さが低減され、遅延性能が向上するか？
• RQ3 最短ホップ数ルーティングがバックプレッシャー型ネットワークにおける遅延低減に与える影響は何か？
• RQ4 提案されたフレームワークは、マルチホップネットワークにおけるルーティングとネットワークコーディングのトレードオフを効率的にバランスできるか？
• RQ5 シャロウキューを用いる場合と従来の宛先ごとのキューイングとを比較した場合、複雑さと性能の面でどのような差異があるか？

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは、従来のバックプレッシャー型ルーティングと比較して、スループット最適性を維持しながらエンドツーエンド遅延を著しく低減する。
• シャロウキューと確率的ルーティングテーブルの使用により、各次のホップごとのキューイングが可能となり、従来のバックプレッシャー型ルーティングと比較してノードあたりのキュー数が削減される。
• シミュレーション結果から、特に高負荷時において遅延性能が顕著に向上することが示された。これは最短ホップ数を目的関数に組み込んだためである。
• アルゴリズムは動的に経路長とコーディング利得をバランスさせることで、ネットワークコーディングの機会を自然に活用し、静的ルーティング戦略を上回る性能を発揮する。
• システムが実行可能である限り、すべてのリンクのトラフィック強度が1未満となるように保証され、安定性が維持される。
• この手法は、シンプルなネットワークコーディングを伴う有線および無線ネットワークへも容易に拡張可能であり、ルーティングの複雑さを増さずに実装可能である。