[논문 리뷰] A Round-Robin Packet Scheduler for Hierarchical Max-Min Fairness

Natchanon Luangsomboon, Jörg Liebeherr|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 22.

Network Traffic and Congestion Control참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 높은 속도 네트워크에서 선형 속도 운영을 가능하게 하며 낮은 계산 오버헤드로 계층적 최소-최대 공정성( hierarchical max-min fairness)을 달성하는 라운드로빈 패킷 스케줄러인 HLS를 제안한다. 계층을 가중치가 부여된 평탄한 라운드로빈 시스템으로 모델링하여 최소 비율 보장을, 고립성, 그리고 공정한 초과 대역폭 분배를 보장하며, 공정성에서 CBQ와 HTB를 능가하면서도 유사한 오버헤드를 유지한다.

ABSTRACT

Hierarchical link sharing addresses the demand for fine-grain traffic control at multiple levels of aggregation. At present, packet schedulers that can support hierarchical link sharing are not suitable for an implementation at line rates, and deployed schedulers perform poorly when distributing excess capacity to classes that need additional bandwidth. We present HLS, a packet scheduler that ensures a hierarchical max-min fair allocation of the link bandwidth. HLS supports minimum rate guarantees and isolation between classes. Since it is realized as a non-hierarchical round robin scheduler, it is suitable to operate at high rates. We implement HLS in the Linux kernel and evaluate it with respect to achieved rate allocations and overhead. We compare the results with those obtained for CBQ and HTB, the existing scheduling algorithms in Linux for hierarchical link sharing. We show that the overhead of HLS is comparable to that of other classful packet schedulers.

연구 동기 및 목표

• 증명 가능하고 공정한 보장을 보장하는, 구현 가능한 고성능 패킷 스케줄러가 부족한 문제를 해결한다.
• CBQ와 HTB와 같은 기존 스케줄러의 한계를 극복하며, 초과 대역폭을 불공정하게 분배하고 전략적으로 공정하지 못함을 해결한다.
• 최소 비율 보장과 트래픽 클래스 간 고립성을 유지하면서도 선형 속도 운영에 적합한 스케줄러를 설계한다.
• 계층적 구조에서 대기 중인 클래스들 간에 사용되지 않은 대역폭을 공정하게 분배한다.
• 제안된 스케줄러가 기존의 클래스 기반 스케줄러와 유사한 성능 오버헤드로 공정성을 달성함을 입증한다.

제안 방법

• 각 리프 클래스를 보장된 비율에 비례하는 가중치를 가진 가상 큐로 간주하여 계층적 클래스 구조를 평탄하고 가중치가 부여된 라운드로빈 시스템으로 모델링한다.
• 변동 크기의 패킷 간 공정성을 보장하기 위해 DRR에 영감을 얻은 디피시 기반 라운드로빈 메커니즘을 사용하여 리프 수준에서 패킷을 스케줄링한다.
• 다중 수준 가상 토너먼트의 복잡성을 피하기 위해, 각 클래스의 가중치 보장을 기반으로 클래스를 상호 교차 배치하여 계층적 구조를 평탄한 스케줄링 프레임워크로 매핑한다.
• 기존 네트워킹 스택과의 통합과 실제 환경 평가를 위해 Linux 커널 내부의 Qdisc(트래픽 제어 장치)로 스케줄러를 구현한다.
• 과잉 대역폭이 가용하고 공정하게 분배될 경우에만 어떤 클래스도 보장된 비율을 초과할 수 없도록 비율 고립성을 강제한다.
• 패킷 분류를 필터 규칙을 통해 수행하여 들어오는 패킷을 해당 리프 클래스에 매핑하며, 이 성능은 사용된 필터 수에 민감하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라운드로빈 기반 스케줄러가 선형 속도 운영에 적합한 낮은 계산 복잡도로 계층적 최소-최대 공정성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 HLS는 초과 대역폭 분배에서 CBQ와 HTB에 비해 얼마나 더 공정한가?
• RQ3 기존의 클래스 기반 스케줄러와 비교해 스케줄러의 구현이 의미 있는 성능 오버헤드를 유발하는가?
• RQ4 클래스가 계층을 잘못 표현하거나 전송 속도를 높임으로써 더 많은 대역폭을 확보할 수 없는가, 즉 전략적으로 공정한가?
• RQ5 많은 수의 리프 클래스로 확장될 경우에도 스케줄러는 공정성과 낮은 오버헤드를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• HLS는 초과 대역폭을 대기 중인 클래스들 간에 공정하게 분배함으로써 계층적 최소-최대 공정성을 달성하며, CBQ와 HTB에서 관찰되는 편향을 방지한다.
• 스케줄러는 최소 비율 보장과 고립성을 유지하여, 과잉 대역폭이 가용하지 않은 한 어떤 클래스도 할당된 비율을 초과하지 못하게 한다.
• 평가 결과, HLS는 CBQ와 HTB와 유사한 오버헤드를 보이며, 테스트된 구성에서 성능 병목 현상이 관찰되지 않았다.
• 스케줄러의 성능은 패킷 분류 설정에 민감하며, 루트에서 필터를 적용할 경우 100개 이상의 리프 클래스를 초과하면 성능이 급격히 저하된다.
• 혼합 트래픽 환경에서 일부 클래스가 보장을 초과하고 다른 클래스가 할당된 비율 이하로 사용하는 경우, HLS는 CBQ와 HTB보다 공정성 지표에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 스케줄러는 전략적으로 공정하다: 어떤 클래스도 전송 속도를 높이거나 내부 계층을 조작함으로써 할당량을 늘릴 수 없다.