[論文レビュー] Optimal Control of Distributed Computing Networks with Mixed-Cast Traffic Flows

Jianan Zhang, Abhishek Sinha+3 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2018

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ひとこと要約

本論文は、混合ユニキャストおよびマルチキャストトラフィックを扱う分散コンピューティングネットワークにおける動的でスループット最適なポリシーであるUniversal Computing Network Control（UCNC）を提案する。UCNCは仮想キューのバックプロレスを使用してルーティングとサービス機能配置を共同最適化し、サイクルのない経路、適切なパケット複製、およびいかなる実行可能なトラフィック負荷下でも安定性を保証する。これは、通信と計算の制約が共に存在する状況下で非ユニキャストトラフィックに対して初めてスループット最適なソリューションである。

ABSTRACT

Distributed computing networks, tasked with both packet transmission and processing, require the joint optimization of communication and computation resources. We develop a dynamic control policy that determines both routes and processing locations for packets upon their arrival at a distributed computing network. The proposed policy, referred to as Universal Computing Network Control (UCNC), guarantees that packets i) are processed by a specified chain of service functions, ii) follow cycle-free routes between consecutive functions, and iii) are delivered to their corresponding set of destinations via proper packet duplications. UCNC is shown to be throughput-optimal for any mix of unicast and multicast traffic, and is the first throughput-optimal policy for non-unicast traffic in distributed computing networks with both communication and computation constraints. Moreover, simulation results suggest that UCNC yields substantially lower average packet delay compared with existing control policies for unicast traffic.

研究の動機と目的

• ユニキャストおよびマルチキャストトラフィックをサポートする分散コンピューティングネットワークにおける、動的でスループット最適な制御ポリシーの欠如に対処すること。
• 混合トラフィック、通信制約、計算制約の下で、ルーティングとサービス機能配置を共同最適化すること。
• パケットがサイクルのない経路を経由し、正しいサービス機能チェーンの順序で処理され、マルチキャスト配信に適切に複製されることを保証すること。
• あらゆるユニキャストおよびマルチキャストトラフィックの混合に対して、安定性と最適スループットを保証するスケーラブルな制御ポリシーを開発すること。
• ブロードキャスト、アナキャスト、およびロケーション依存の計算要件を扱えるようにフレームワークを拡張すること。

提案手法

• UCNCは、通信リソースおよび計算リソースの両方の仮想キューを維持するバックプロレスに基づく動的制御ポリシーを使用する。
• 双方向トラフィック負荷を反映させるために、非有向リンクに対する修正された仮想キューの進化を導入する。
• ユニキャストでは最短経路を、マルチキャストではコストを最小化しサイクルのないルーティングを保証する最小スティーナー木を選択するルーティングポリシーを採用する。
• ENTOスケジューリングポリシーは、最も高い仮想キューのバックログを持つリンクを優先することで、物理キューの安定性を確保する。
• サービス機能チェーンを通じたフローのスケーリングをサポートし、木ベースのマルチキャストルーティングによりパケットの複製を処理する。
• ブロードキャスト（全ネットワークへの配布）およびアナキャスト（集合内の任意のノード）を扱うために、ダミー・ノードとゼロコストリンクを追加する拡張を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混合ユニキャストおよびマルチキャストトラフィックを扱う分散コンピューティングネットワークにおいて、ルーティングとサービス機能配置を共同最適化する動的制御ポリシーを設計することは可能か？
• RQ2 通信と計算の制約が共に存在する状況下で、非ユニキャストトラフィックに対してスループット最適性を達成することは可能か？
• RQ3 α-近似スティーナー木を用いた近似ルーティングの場合、UCNCの性能はどの程度劣化するか？
• RQ4 最小限の修正で、ブロードキャストおよびアナキャストトラフィックを扱えるようにフレームワークを拡張することは可能か？
• RQ5 ロケーション依存の計算コストは、制御ポリシーの設計と性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• UCNCは、ユニキャストおよびマルチキャストトラフィックのいかなる混合に対してもスループット最適であり、容量領域内に存在するすべての到着レートに対して安定性を保証する。
• ポリシーはサイクルのないルーティングと適切なパケット複製を保証し、すべてのマルチキャスト宛先への正しい配信を可能にする。
• シミュレーション結果から、UCNCは従来のユニキャスト専用制御ポリシーと比較して顕著に低い平均パケット遅延を達成することが示された。
• α-近似スティーナー木ルーティングを用いる場合、UCNCは到着レートを1/αにスケーリング可能であり、性能劣化が有界な範囲でスループット最適性を維持する。
• ダミー・ノードとゼロコストリンクを追加することで、ブロードキャストおよびアナキャストトラフィックへの拡張が自然に行えるようになり、スループット最適性が維持される。
• ロケーション依存の計算に対しては、エッジコストをノード固有の処理要件を反映させるように調整することで、最適性が保たれる。