[논문 리뷰] Constrained Multi-user Multi-server Max-Min Fair Queuing

Jalal Khamse-Ashari, Ioannis Lambadaris외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 18.

Advanced Wireless Network Optimization참고 문헌 7인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 사용자가 특정 서버에 제한되어 있는 제약 조건이 있는 다중 사용자 다중 서버 시스템을 위한 새로운 편의성 기반 큐잉 알고리즘인 CM⁴FQ를 제안한다. 서비스 태그를 사용하여 누적 작업 기반으로 사용자 우선순위를 정함으로써, 서버 서비스 속도에 대한 사전 지식이 없이도 다중 수준의 최소 최대 공정 비율을 달성하며, 모바일 클라우드 컴퓨팅과 같은 동적이고 이질적인 환경에서도 보장되는 공정한 대역폭을 확보한다.

ABSTRACT

In this paper, a multi-user multi-server queuing system is studied in which each user is constrained to get service from a subset of servers. In the studied system, rate allocation in the sense of max-min fairness results in multi-level fair rates. To achieve such fair rates, we propose $CM^4FQ$ algorithm. In this algorithm users are chosen for service on a packet by packet basis. The priority of each user $i$ to be chosen at time $t$ is determined based on a parameter known as service tag (representing the amount of work counted for user $i$ till time $t$). Hence, a free server will choose to serve an eligible user with the minimum service tag. Based on such simple selection criterion, $CM^4FQ$ aims at guaranteed fair throughput for each demanding user without explicit knowledge of each server service rate. We argue that $CM^4FQ$ can be applied in a variety of practical queuing systems specially in mobile cloud computing architecture.

연구 동기 및 목표

• 사용자가 특정 서버에만 액세스할 수 있는 제약 조건이 있는 다중 사용자 다중 서버 시스템에서 공정한 큐잉 알고리즘이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 다른 서버 하위집합에 연결된 사용자들이 각각 다른 공정한 비율을 받는, 다중 수준의 최소 최대 공정 비율 할당을 달성하기 위해.
• 서버 서비스 속도를 명시적으로 알지 못해도 공정한 대역폭을 보장하는 단순하고 분산형 패킷 스케줄링 알고리즘을 설계하기 위해.
• 모바일 클라우드 컴퓨팅과 같이 자원 액세스가 본질적으로 제약이 있는 신규 시스템에 실용적으로 구현 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• CM⁴FQ는 각 사용자에게 시간 t까지 처리된 누적 작업을 나타내는 서비스 태그를 사용하여 스케줄링 우선순위를 결정한다.
• 서버가 비어날 때, 서비스 태그가 가장 낮은 유효한 사용자를 선택함으로써 사용자 그룹 간의 공정성을 확보한다.
• 알고리즘은 패킷 단위로 작동하므로 실시간이고 동적인 트래픽 환경에 적합하다.
• 클러스터 기반 분석과 서비스 속도 집계를 활용하여 임의의 초기 조건 하에서도 공정성 보장을 증명한다.
• 이론적 분석은 작업과 지연의 범위를 이용하여, 높은 우선순위 사용자 그룹이 초기 불균형이 있더라도 기아 상태가 되지 않음을 보여준다.
• 서버 클러스터 전반에 걸쳐 서비스 태그의 불변성을 유지함으로써 사용자가 최소 최대 공정 비율에 도달하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자가 특정 서버에만 액세스할 수 있는 다중 서버 시스템에서, 다중 수준의 공정성을 달성하는 공정한 큐잉 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ2 개별 서버의 서비스 속도를 사전에 알지 못해도 최소 최대 공정성을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ3 높은 우선순위 사용자가 밀린 상태일 때도 낮은 공정 비율을 가진 사용자가 기아 상태가 되지 않도록 보장하는 스케줄링 정책은 무엇인가?
• RQ4 간단하고 분산형이며 패킷 단위로 작동하는 스케줄링 규칙이 제약 조건이 있는 시스템에서 이론적 공정성 보장을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• CM⁴FQ는 더 적거나 더 느린 서버 하위집합에 연결된 사용자들이 비례적으로 낮지만 보장되는 공정한 비율을 받도록 함으로써 다중 수준의 최소 최대 공정 비율을 달성한다.
• 서비스 태그 기반 우선순위 메커니즘 덕분에, 임의의 초기 조건 하에서도 사용자가 기아 상태가 되지 않음을 보장한다.
• 이론적 분석을 통해 클러스터 간 최소 서비스 태그 차이가 높은 우선순위 사용자 그룹이 공정성 범위를 초과해 지연되지 않음을 증명한다.
• 알고리즘은 동적 트래픽과 간헐적인 사용자 수요 상황에서도 공정성을 유지하며, 공정 큐잉의 기억 없는 성질을 그대로 유지한다.
• 초기 작업 불균형이 존재하더라도, 어떤 사용자 그룹이 처리하는 총 작업량이 그 공정 비율 이하로 떨어지지 않음을 보장한다.