[論文レビュー] Constrained Multi-user Multi-server Max-Min Fair Queuing

Jalal Khamse-Ashari, Ioannis Lambadaris+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、特定のサーバーに制限されたユーザーを対象とした制約付きマルチユーザー・マルチサーバーシステム向けに、新しいフェアキューイングアルゴリズムであるCM⁴FQを提案する。サービスタグを用いて累積作業量に基づいてユーザーの優先順位を決定することで、サーバーのサービスレートを事前に把握しなくても、複数レベルの最大最小フェアレートを達成する。これにより、モバイルクラウドコンピューティングのような動的で多様な環境においても、保証されたフェアなスループットが実現される。

ABSTRACT

In this paper, a multi-user multi-server queuing system is studied in which each user is constrained to get service from a subset of servers. In the studied system, rate allocation in the sense of max-min fairness results in multi-level fair rates. To achieve such fair rates, we propose $CM^4FQ$ algorithm. In this algorithm users are chosen for service on a packet by packet basis. The priority of each user $i$ to be chosen at time $t$ is determined based on a parameter known as service tag (representing the amount of work counted for user $i$ till time $t$). Hence, a free server will choose to serve an eligible user with the minimum service tag. Based on such simple selection criterion, $CM^4FQ$ aims at guaranteed fair throughput for each demanding user without explicit knowledge of each server service rate. We argue that $CM^4FQ$ can be applied in a variety of practical queuing systems specially in mobile cloud computing architecture.

研究の動機と目的

• ユーザーが特定のサーバーに制限される制約付きマルチユーザー・マルチサーバーシステムにおいて、フェアキューイングアルゴリズムが不足している問題に対処すること。
• 異なるサーバーサブセットに接続されたユーザーがそれぞれ異なるフェアレートを受ける、複数レベルの最大最小フェアネスを達成すること。
• サーバーのサービスレートを明示的に把握しないで、フェアなスループットを保証するシンプルで分散型のパケットスケジューリングアルゴリズムを設計すること。
• モバイルクラウドコンピューティングなど、リソースアクセスが本質的に制限される新しいシステムへの実用的導入を可能にすること。

提案手法

• CM⁴FQは、各ユーザーに対して、時刻tまでに処理された累積作業量を表すサービスタグを用い、スケジューリング優先順位を決定する。
• サーバーが空き状態になると、有効なユーザーのうちサービスタグが最小のユーザーが選択され、ユーザー群全体にわたるフェアネスが保証される。
• アルゴリズムはパケット単位で動作するため、リアルタイムで変化するトラフィック環境に適している。
• クラスタベースの解析とサービスレート集約を活用して、任意の初期条件下でもフェアネス保証を証明する。
• 理論的分析では、作業量と遅延の上限を用いて、優先度の高いユーザー群が、初期の不均衡があってもスターブされないことを示す。
• サーバークラスタ間でサービスタグの不変性を維持することで、ユーザーが最大最小フェアレートに到達することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定のサーバーに制限されたユーザーを対象としたマルチサーバーシステムにおいて、複数レベルのフェアネスを達成できるフェアキューイングアルゴリズムを設計できるか？
• RQ2 個々のサーバーのサービスレートを事前に把握しないで、最大最小フェアネスをどのように保証できるか？
• RQ3 優先度の高いユーザーがバックログ状態にあっても、低いフェアレートを持つユーザーがスターブされないようなスケジューリングポリシーは何か？
• RQ4 シンプルで分散型の、パケット単位のスケジューリングルールが、制約付きシステムにおいて理論的フェアネス保証を達成できるか？

主な発見

• CM⁴FQは、少ないまたは遅いサーバーサブセットに接続されたユーザーに対して、比例的に低いが保証されたフェアレートを達成することで、複数レベルの最大最小フェアネスを実現する。
• サービスタグに基づく優先順位メカニズムのおかげで、任意の初期条件下でもユーザーがスターブされないことが保証される。
• 理論的分析により、クラスタ間の最小サービスタグ差が保たれることで、優先度の高いユーザー群がフェアネスの上限を超えて遅延しないことが証明される。
• 動的トラフィックと断続的なユーザー要請の下でも、フェアキューイングのメモリレス性を維持したままフェアネスが保たれる。
• 初期の作業量の不均衡が存在しても、任意のユーザー群が処理する総作業量がそのフェアレート以下に抑えられないことが保証される。