[論文レビュー] Data Load Balancing in Heterogeneous Dynamic Networks

Seyed Iman Mirrezaei, Javad Shahparian|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

Peer-to-Peer Network Technologies参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、仮想サーバーと近接性に基づく負荷再割り当てを用いて、転送コストを低減し、収束を高速化する、構造的P2Pオーバーレイネットワーク向けの分散型でトポロジーに配慮した負荷分散アルゴリズムを提案する。物理的ネットワークの近接性と、負荷の質と転送コストの間のパrametricなトレードオフを活用することで、シミュレーションにおいて帯域幅使用量を43％削減し、イン-degreeの不均衡による影響は最小限に抑えられる。

ABSTRACT

Data load balancing is a challenging task in the P2P systems. Distributed hash table (DHT) abstraction, heterogeneous nodes, and non uniform distribution of objects are the reasons to cause load imbalance in structured P2P overlay networks. Previous works solved the load balancing problem by assuming the homogeneous capabilities of nodes, unawareness of the link latency during transferring load, and imposing logical structures to collect and reassign load. We propose a distributed load balancing algorithm with the topology awareness feature by using the concept of virtual servers. In our approach, each node collects neighborhood load information from physically close nodes and reassigns virtual servers to overlay nodes based upon the topology of underlying network. Consequently, our approach converges data load balancing quickly and it also reduces the load transfer cost between nodes. Moreover, our approach increases the quality of load balancing among close nodes of overlay and it also introduces a new tradeoff between the quality of load balancing and load transfer cost among all overlay nodes. Our simulations show that our approach reduces the load transfer cost and it saves network bandwidth respectively. Finally, we show that the in-degree imbalance of nodes, as a consequence of topology awareness, cannot lead to a remarkable problem in topology aware overlays.

研究の動機と目的

• 非均一なオブジェクト分布とノードの異質性によって引き起こされる、非均一で動的なP2Pネットワークにおける負荷の不均衡を解消すること。
• 従来の負荷分散ソリューションにおける、中央集権的または同質ノードを仮定する制限を克服すること。
• 物理的に近いノードを優先することで、データ移行にかかる負荷転送コストを最小限に抑えること。
• 論理的制御構造を排除することで、スケーラビリティを維持し、単一障害点を回避すること。
• パrametricなアルゴリズムを通じて、負荷分散の質とネットワークコストの間の調整可能なトレードオフを導入すること。

提案手法

• 各ノードは、実際のインターネット座標（PIC）を用いて、物理的に近接した隣接ノードから負荷情報を収集し、ネットワーク距離を推定する。
• アルゴリズムは仮想サーバーを用いて負荷容量を表現し、近隣のノード間での仮想サーバーの動的再割り当てを可能にする。
• ノードの容量と近接性に基づくパrametricなメカニズムにより、負荷の質と転送コストの間のバランスをとる。
• 負荷再割り当ては、ネットワーク遅延が低いノード間でのみ実行され、帯域幅消費を低減し、収束速度を向上させる。
• 負荷収集のための論理的構造を避けることで、スケーラビリティと分散化を維持する。
• イン-degreeの不均衡に対処するためのリアクティブメカニズムを導入し、高イン-degreeノードが過負荷になるとルーティングテーブルの更新をトリガーする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 下位のネットワークトポロジーを活用することで、構造的P2Pオーバーレイにおける負荷分散をどのようにより効率的にすることができるか？
• RQ2 トポロジーに配慮することで、負荷転送コストはどの程度低減され、収束速度はどのように向上するか？
• RQ3 完全に分散型で非中央集権的な負荷分散アプローチは、中央集権モデルのスケーラビリティと障害の問題を回避できるか？
• RQ4 RAQNetのようなオーバーレイにおいて、トポロジーに配慮したアプローチがルーティングテーブルのイン-degree不均衡に与える影響は何か？
• RQ5 実際の環境で、負荷分散の質と転送コストの間の調整可能なトレードオフを効果的に実装するにはどうすればよいか？

主な発見

• 提案されたトポロジーに配慮した負荷分散は、GT-ITMトポロジーモデルにおいて、非トポロジーに配慮した手法と比較して負荷転送コストを43％削減した。
• トポロジーに配慮した場合、50％の負荷転送が平均遅延100 msのリンクを経由するが、トポロジーに配慮しない場合では280 msにまで上昇し、ネットワーク混雑が顕著に減少した。
• トポロジーに配慮した状況では、80％以上の負荷転送が平均遅延200 ms未満のリンクを経由しており、低遅延経路の効率的利用が示された。
• 物理的に近いノードを優先することで、アルゴリズムは迅速に収束し、ノード間通信のオーバーヘッドを最小限に抑えた。
• 近接性に基づくルーティングによるイン-degree不均衡は、10,000ノードのRAQNetネットワークにおけるシミュレーションで重大な問題にまで至らなかった。
• リアクティブメカニズムにより、高イン-degreeノードがルーティングテーブルの更新をトリガーできるようになり、メッセージパス長の増加なしにイン-degree不均衡が効果的に緩和された。