[论文解读] Constrained Multi-user Multi-server Max-Min Fair Queuing

Jalal Khamse-Ashari, Ioannis Lambadaris+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 7被引用 7

一句话总结

该论文提出CM⁴FQ，一种针对受限多用户多服务器系统的新型公平队列算法，其中用户被限制访问特定服务器。通过使用服务标签根据累积工作量对用户进行优先级排序，CM⁴FQ在无需预先知晓服务器服务速率的情况下，实现了多层级的最大最小公平速率，确保在移动云计算等动态异构环境中也能提供保证的公平吞吐量。

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.

研究动机与目标

• 解决受限多用户多服务器系统中缺乏公平队列算法的问题，其中用户仅能访问特定服务器。
• 在速率分配中实现多层级的最大最小公平性，使连接到不同服务器子集的用户获得不同的公平速率。
• 设计一种简单、分布式的数据包调度算法，无需显式知晓服务器服务速率即可保证公平吞吐量。
• 实现在移动云计算等新兴系统中的实际部署，这些系统中资源访问本质上是受限的。

提出的方法

• CM⁴FQ为每个用户使用一个服务标签，表示截至时间t已处理的累积工作量，以确定调度优先级。
• 当服务器空闲时，选择服务标签最小的合格用户，从而在用户组之间实现公平性。
• 该算法基于逐包操作，适用于实时、动态的流量环境。
• 它利用基于集群的分析和速率聚合方法，在任意初始条件下证明公平性保证。
• 理论分析通过工作量和延迟的界，表明即使存在初始不平衡，高优先级用户组也不会被饿死。
• 该方法通过在服务器集群间保持服务标签不变性，确保用户实现其最大最小公平速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为用户仅能访问特定服务器的多服务器系统设计一种公平队列算法，实现多层级公平性？
• RQ2 如何在不预先知晓各服务器服务速率的情况下保证最大最小公平性？
• RQ3 何种调度策略可确保低公平速率用户不会因高优先级用户积压而被饿死？
• RQ4 能否通过一种简单、分布式、逐包的调度规则，在受限系统中实现理论上的公平性保证？

主要发现

• CM⁴FQ通过确保连接到较少或更慢服务器子集的用户获得成比例更低但有保证的公平速率，实现了多层级的最大最小公平性。
• 由于基于服务标签的优先级机制，该算法保证了即使在任意初始条件下，也不会有任何用户被饿死。
• 理论分析证明，集群间最小服务标签差值可确保高优先级用户组不会超出公平性边界而被延迟。
• 该算法在动态流量和间歇性用户需求下仍能保持公平性，同时保留了公平队列的无记忆特性。
• 即使存在初始工作量不平衡，CM⁴FQ也能确保任何用户组处理的总工作量不低于其公平速率。