[论文解读] A Round-Robin Packet Scheduler for Hierarchical Max-Min Fairness

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

Network Traffic and Congestion Control参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出HLS，一种基于轮询的包调度器，通过低计算开销实现分层最大最小公平性，使高速网络中的线速运行成为可能。通过将层次结构建模为带权重服务的扁平轮询系统，HLS确保最小速率保障、隔离性以及超额带宽的公平分配，在公平性方面优于CBQ和HTB，同时保持相近的开销。

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.

研究动机与目标

• 解决现有可部署、高性能包调度器在支持分层链路共享并提供可证明公平性保证方面的不足。
• 克服CBQ和HTB等现有调度器在超额带宽分配方面表现不佳且缺乏策略鲁棒公平性的局限。
• 设计一种适用于线速运行的调度器，同时保持最小速率保障以及不同流量类别之间的隔离性。
• 确保在分层结构中，所有排队类别的未使用带宽得到公平分配。
• 证明所提出的调度器在性能开销方面与现有分类调度器相当。

提出的方法

• 将分层类别结构建模为一个扁平的加权轮询系统，其中每个叶类别被视为一个虚拟队列，其权重与保证的速率成正比。
• 采用基于亏空的轮询机制（受DRR启发）在叶级别调度数据包，确保对可变大小数据包的公平性。
• 通过基于权重保证对类别进行交错排列，将分层结构映射到扁平调度框架中，避免多级虚拟锦标赛的复杂性。
• 在Linux内核中实现为Qdisc（流量控制设备），以支持真实环境评估并实现与现有网络栈的集成。
• 通过确保任一类只有在有超额容量且公平分配时才可超过其保证速率，来强制实施速率隔离。
• 使用过滤规则进行数据包分类，将进入的数据包映射到其对应的叶类别，其性能受所用过滤器数量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于轮询的调度器是否能以适合线速运行的低计算复杂度实现分层最大最小公平性？
• RQ2 在超额带宽分配的公平性方面，所提出的调度器与CBQ和HTB相比表现如何？
• RQ3 与现有分类调度器相比，该调度器的实现是否引入了显著的性能开销？
• RQ4 该调度器是否具备策略鲁棒性，即某类无法通过谎报其层次结构或提高传输速率来获得更多带宽？
• RQ5 当叶类别数量扩展到较大规模时，该调度器是否仍能保持公平性和低开销？

主要发现

• HLS通过确保未使用带宽在所有排队类别间公平分配，实现了分层最大最小公平性，避免了CBQ和HTB中存在的偏差。
• 该调度器维持了最小速率保障和隔离性，防止任何类别在无超额容量时超过其分配速率。
• 评估结果表明，HLS的开销与CBQ和HTB相当，在测试配置中未观察到性能瓶颈。
• 该调度器的性能对数据包分类配置敏感；当过滤器位于根节点时，叶类别超过100个后性能急剧下降。
• HLS在公平性指标上优于CBQ和HTB，尤其在部分类别超过保证带宽、部分类别带宽不足的混合流量场景中表现更优。
• 该调度器具备策略鲁棒性：任何类别都无法通过提高传输速率或操纵其内部层次结构来增加带宽分配。