[論文レビュー] Universal Packet Scheduling

Radhika Mittal, Rachit Agarwal+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2015

Network Traffic and Congestion Control参考文献 27被引用数 48

ひとこと要約

本稿では、多様なネットワーク目的において、他のすべてのスケジューリングアルゴリズムの性能を再現できる単一のユニバーサルパケットスケジューリングアルゴリズムが存在するかを調査している。理論的に、完璧なユニバーサルスケジューラーは存在しないことが証明されているが、実験的にLSTF（Least Slack Time First）が最も近い性能を示しており、フローフェイルチャームタイム、テールレイテンシ、公平性の観点で、最先端の性能を達成または近似している。

ABSTRACT

In this paper we address a seemingly simple question: Is there a universal packet scheduling algorithm? More precisely, we analyze (both theoretically and empirically) whether there is a single packet scheduling algorithm that, at a network-wide level, can match the results of any given scheduling algorithm. We find that in general the answer is "no". However, we show theoretically that the classical Least Slack Time First (LSTF) scheduling algorithm comes closest to being universal and demonstrate empirically that LSTF can closely, though not perfectly, replay a wide range of scheduling algorithms in realistic network settings. We then evaluate whether LSTF can be used {\em in practice} to meet various network-wide objectives by looking at three popular performance metrics (mean FCT, tail packet delays, and fairness); we find that LSTF performs comparable to the state-of-the-art for each of them.

研究の動機と目的

• 異なるネットワーク目的において、他のすべてのスケジューリングアルゴリズムの動作を一括して再現できる単一のパケットスケジューリングアルゴリズムが存在するかを特定すること。
• プリエンプティブでない、ワークロードを浪費しない、および（可能性として）オラクル支援付きのスケジューリングモデルにおけるパケットスケジューリングにおけるユニバーサルリティの理論的限界を評価すること。
• LSTFが実用的ユニバーサルスケジューラーとしての実現可能性を、平均フローフェイルチャームタイム、テールレイテンシ、公平性といった主要指標で最先端のアルゴリズムと比較して評価すること。
• プログラマブルスイッチの設計を支援するため、ユニバーサルスケジューラーがハードウェアプログラマビリティによるカスタムアルゴリズムのデプロイの必要性を減らすかを評価すること。
• 実用的なユニバーサルスケジューラーの存在が、将来的なネットワークにおけるプログラマブルパケットスケジューリングハードウェアの必要性を低下させるかどうかを明確にすること。

提案手法

• ストアアンドフォワードルータから構成されるネットワークにおける、プリエンプティブでない、可能であれば非ワークロードを浪費しないアルゴリズムを含むパケットスケジューリングの理論的モデルを形式化する。
• 「再現可能性」を、同じパケット集合に対して、他のスケジューラーの出力時刻よりも遅くならないように、あるスケジューラーが出力時刻を生成できる能力として定義する。
• スケジューリング順序とスラック時間依存性の本質的制約により、理論的にユニバーサルパケットスケジューラーは存在しないことを証明する。
• スラック時間と到着順序に基づいて反復的にビットスケジューリング時刻を交換することで、任意の実行可能なスケジュールをLSTF同等のスケジュールに変換するプロセスを導入する。
• 実際のネットワークトポロジーとワークロードを用いたシミュレーションによる評価を実施し、LSTFの性能を、平均FCT、テールレイテンシ、公平性という3つの主要指標において、既知のスケジューリングアルゴリズムと比較する。
• LSTF変換プロセス中にスラック時間の正確な計算と実行可能性のチェックを可能にするために、ビットレベルのスケジューリングモデルを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべてのネットワーク構成において、他のすべてのスケジューリングアルゴリズムの出力時刻を理論的に再現できる単一のパケットスケジューリングアルゴリズムが存在するか？
• RQ2 一般のネットワーク環境において、ユニバーサルパケットスケジューラーの存在を妨げる根本的な理論的限界は何か？
• RQ3 既存のスケジューリングアルゴリズムの中で、ユニバーサルリティにどれほど近づけるか？そして、どのアルゴリズムが最も近いか？
• RQ4 LSTFは、フローフェイルチャームタイム、テールレイテンシ、公平性といった主要ネットワーク目的において、多様なスケジューリングアルゴリズムの性能を実験的にどれほど近似できるか？
• RQ5 LSTFの実用的性能は、プログラマブルパケットスケジューラーが依然として必要であるか、それともカスタムアルゴリズムのデプロイの必要性を排除できるユニバーサルスケジューラーが存在するかを示唆するか？

主な発見

• 理論的に、ユニバーサルパケットスケジューリングアルゴリズムは存在しない。これは、特定のスケジュールがスラック時間制約が非現実的であるため、いかなるアルゴリズムでも再現できない反例によって証明された。
• 最小スラック時間優先（LSTF）は理論的にユニバーサルリティに最も近い。これは、スラック時間と実行可能性を保ちながら、スラック時間に基づく反復的ビットスケジューリング交換を経て、任意の実行可能なスケジュールに変換可能であるためである。
• 実験的に、LSTFは現実的なネットワークトポロジーにおいて、多様なスケジューリングアルゴリズムのスケジュールを最小限の出力時刻のずれで近似している。
• LSTFは、平均フローフェイルチャームタイム（FCT）の最小化、テールパケット遅延の低減、フロー間の公平性の確保において、最先端の性能と同等の性能を達成している。
• 3つの混雑ポイントを持つフローを含む再現失敗ケースにおいて、LSTFはスラック時間依存性の競合により元のスケジュールを維持できず、ユニバーサルリティの理論的限界を示している。
• この失敗にもかかわらず、LSTFの性能は多様なワークロードにおいても安定しており、実用的ユニバーサルスケジューラーとして強い候補であると考えられる。