[论文解读] Optimal Control of Distributed Computing Networks with Mixed-Cast Traffic Flows

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

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 17被引用 3

一句话总结

本文提出通用计算网络控制（UCNC），一种针对混合单播与多播流量的分布式计算网络的动态、吞吐量最优控制策略。UCNC 通过虚拟队列反压机制，联合优化路由与服务功能部署，确保无环路径、正确包复制以及在任何可行流量负载下的稳定性，使其成为首个在联合通信与计算约束下针对非单播流量的吞吐量最优解决方案。

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.

研究动机与目标

• 解决支持单播与多播流量流的分布式计算网络中缺乏动态、吞吐量最优控制策略的问题。
• 在混合流量、通信与计算约束下，联合优化路由与服务功能部署。
• 确保数据包遵循无环路径，按正确的服务功能链顺序处理，并适当地进行复制以实现多播传输。
• 设计一种可扩展的控制策略，确保对任意混合单播与多播流量均能实现稳定性和吞吐量最优。
• 将框架扩展以处理广播、任播以及与位置相关的计算需求。

提出的方法

• UCNC 使用基于反压的动态控制策略，为通信与计算资源维护虚拟队列。
• 针对无向链路，引入改进的虚拟队列演化机制，以考虑双向流量负载。
• 路由策略为单播选择最短路径，为多播流选择最小斯坦纳树，以最小化成本并确保无环路由。
• ENTO 调度策略通过优先选择虚拟队列积压最高的链路，确保物理队列稳定。
• 该方法通过服务功能链实现流量扩展，并通过基于树的多播路由处理包复制。
• 针对广播（全网分发）和任播（集合中任意节点）引入扩展机制，通过添加虚拟节点和零成本链路实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种动态控制策略，以在具有混合单播与多播流量的分布式计算网络中，联合优化路由与服务功能部署？
• RQ2 在联合通信与计算约束下，是否可能实现非单播流量的吞吐量最优？
• RQ3 当使用近似路由（如 α-近似斯坦纳树）时，UCNC 的性能会如何退化？
• RQ4 该框架能否通过最小修改扩展以处理广播和任播流量？
• RQ5 位置相关计算成本如何影响控制策略的设计与性能？

主要发现

• UCNC 对任意混合单播与多播流量均具有吞吐量最优性，可保证在容量区域内所有到达速率下的稳定性。
• 该策略确保无环路由与正确包复制，实现对所有多播目的地的正确交付。
• 仿真结果表明，UCNC 相较于现有仅支持单播的控制策略，显著降低了平均包延迟。
• 在使用 α-近似斯坦纳树路由时，UCNC 支持按 1/α 缩放的到达速率，保持吞吐量最优性，性能损失有界。
• 通过引入虚拟节点和零成本链路，该框架可自然扩展至广播和任播流量，同时保持吞吐量最优性。
• 对于位置相关计算，该方法通过调整边缘成本以反映节点特定处理需求，保持最优性。