[논문 리뷰] Universal Packet Scheduling

Radhika Mittal, Rachit Agarwal외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 13.

Network Traffic and Congestion Control참고 문헌 27인용 수 48

한 줄 요약

이 논문은 다양한 네트워크 목표에서 다른 어떤 스케줄링 알고리즘의 성능을 단일 통합 패킷 스케줄링 알고리즘으로 재현할 수 있는지 조사한다. 이론적으로 완벽한 통합 스케줄러가 존재하지 않음을 증명하지만, 실제로는 최소 스레드 타임 프리퍼런스(LSTF)가 가장 가까이 있으며, 흐름 완료 시간 최소화, 꼬리 지연 시간 최소화, 공정성 확보라는 주요 네트워크 목표에서 최신 기술 수준의 성능을 재현하거나 이를 근접하게 따라간다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 네트워크 목표에서 다른 어떤 스케줄링 알고리즘의 행동을 단일 패킷 스케줄링 알고리즘이 항상 재현할 수 있는지 여부를 규명하는 것.
• 비선점, 비워크컨스어링, 그리고 가능하면 오라클 지원이 가능한 스케줄링 모델 하에서 스케줄링의 보편성에 대한 이론적 한계를 평가하는 것.
• LSTF가 실용적으로 통합 스케줄러로서의 가능성을 평가하기 위해 평균 흐름 완료 시간, 꼬리 지연 시간, 공정성 등의 주요 지표에서 최신 기술 수준 알고리즘과의 성능 비교를 수행하는 것.
• 프로그래머블 스위치 설계에 영향을 주기 위해, 통합 스케줄러가 하드웨어 프로그래머블성을 통한 맞춤형 알고리즘 배포의 필요성을 줄일 수 있는지 평가하는 것.
• 실용적인 통합 스케줄러의 존재가 향후 네트워크에서 프로그래머블 패킷 스케줄링 하드웨어의 필요성을 감소시킬 수 있는지 명확히 하는 것.

제안 방법

• 스토어앤포워드 라우터로 구성된 네트워크에서 비선점, 가능하면 비워크컨스어링 알고리즘을 고려한 패킷 스케줄링의 이론적 모델을 수립하는 것.
• 일반적인 입력 패킷 세트에 대해 다른 스케줄러가 생성한 출력 시간보다 늦지 않은 출력 시간을 생성할 수 있는 능력을 '재생 가능성(replayability)'으로 정의하는 것.
• 스케줄링 순서와 스레드 시간 의존성의 본질적 제약로 인해 이론적으로 통합 패킷 스케줄러가 존재하지 않음을 증명하는 것.
• 스레드 시간과 도착 순서를 기반으로 반복적으로 비트 스케줄링 시간을 교환함으로써, 어떤 타당한 스케줄도 LSTF 등가 스케줄로 변환하는 변환 과정을 제안하는 것.
• 실제 네트워크 토폴로지와 워크로드를 기반으로 시뮬레이션을 수행하여 LSTF의 성능을 평균 FCT, 꼬리 지연, 공정성 등의 주요 지표에서 알려진 스케줄링 알고리즘과 비교하는 것.
• LSTF 변환 과정 중 정확한 스레드 시간 계산과 타당성 검증을 가능하게 하기 위해 비트 수준 스케줄링 모델을 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 네트워크 구성에서 다른 스케줄링 알고리즘의 출력 시간을 이론적으로 재현할 수 있는 단일 패킷 스케줄링 알고리즘이 존재하는가?
• RQ2 일반적인 네트워크 환경에서 통합 스케줄러가 존재하지 않는 본질적 이론적 한계는 무엇인가?
• RQ3 기존의 스케줄링 알고리즘 중 어느 것이 보편성에 가장 가까이 갈 수 있으며, 어떤 알고리즘이 가장 가까이 갈 수 있는가?
• RQ4 LSTF는 흐름 완료 시간, 꼬리 지연 시간, 공정성 등의 주요 네트워크 목표에서 다양한 스케줄링 알고리즘의 성능을 경험적으로 얼마나 잘 근접하게 재현할 수 있는가?
• RQ5 LSTF의 실용적 성능는 프로그래머블 패킷 스케줄러가 여전히 필요한지, 아니면 통합 스케줄러가 맞춤형 알고리즘 배포의 필요성을 제거할 수 있는지를 시사하는가?

주요 결과

• 이론적으로는 완벽한 통합 스케줄러가 존재하지 않으며, 특정 스케줄이 스레드 시간 제약이 비가능하기 때문에 어떤 알고리즘으로도 재생할 수 없는 반례를 통해 이를 증명한다.
• 최소 스레드 타임 프리퍼런스(LSTF)는 이론적으로 보편성에 가장 가까이 있으며, 스레드 시간과 타당성을 유지하는 비트 스케줄링 교환을 반복함으로써 어떤 타당한 스케줄로도 변환 가능하다.
• 경험적으로 LSTF는 실제 네트워크 토폴로지에서 다양한 스케줄링 알고리즘의 스케줄을 거의 완벽하게 재현하며, 출력 시간의 편차가 극히 미미하다.
• LSTF는 평균 흐름 완료 시간(FCT) 최소화, 꼬리 패킷 지연 감소, 흐름 간 공정성 확보 측면에서 최신 기술 수준의 성능를 달성한다.
• 세 개의 혼잡 지점이 있는 흐름을 포함한 재생 실패 케이스에서 LSTF는 충돌하는 스레드 시간 의존성으로 인해 원래 스케줄을 유지하지 못함으로써 보편성의 이론적 한계를 보여준다.
• 이러한 실패에도 불구하고 LSTF는 다양한 워크로드에서 뛰어난 성능를 유지하며, 실용적인 통합 스케줄러로서 강력한 후보임을 시사한다.