[论文解读] Universal Packet Scheduling

Radhika Mittal, Rachit Agarwal+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2015

Network Traffic and Congestion Control参考文献 27被引用 48

一句话总结

本文研究是否存在一种单一的通用分组调度算法，能够跨多种网络目标复现任何其他调度算法的性能。理论上证明了不存在完美的通用调度器，但实证表明最小松弛时间优先（LSTF）最接近这一目标，在最小化流完成时间、尾部延迟以及确保公平性方面，其性能可与最先进水平相当或接近。

ABSTRACT

In this paper we address a seemingly simple question: Is there a universal packet scheduling algorithm? More precisely, we analyze (both theoretically and empirically) whether there is a single packet scheduling algorithm that, at a network-wide level, can match the results of any given scheduling algorithm. We find that in general the answer is "no". However, we show theoretically that the classical Least Slack Time First (LSTF) scheduling algorithm comes closest to being universal and demonstrate empirically that LSTF can closely, though not perfectly, replay a wide range of scheduling algorithms in realistic network settings. We then evaluate whether LSTF can be used {\em in practice} to meet various network-wide objectives by looking at three popular performance metrics (mean FCT, tail packet delays, and fairness); we find that LSTF performs comparable to the state-of-the-art for each of them.

研究动机与目标

• 确定是否存在一种分组调度算法，能够跨多种网络目标普遍复现任何其他调度算法的行为。
• 在非抢占、非工作保守以及可能依赖预言机的调度模型下，评估通用性在分组调度中的理论极限。
• 通过与最先进算法在均值流完成时间、尾部延迟和公平性等关键指标上的对比，评估LSTF作为通用调度器的实际可行性。
• 通过评估通用调度器是否可减少对硬件可编程性实现自定义算法部署的需求，为可编程交换机的设计提供依据。
• 澄清是否存在实用的通用调度器将削弱未来网络中对可编程分组调度硬件的需求。

提出的方法

• 形式化定义了一种非抢占、可能非工作保守的分组调度理论模型，适用于存储转发路由器构成的网络。
• 将“可复现性”定义为：某一调度器对同一组输入分组，其输出时间不晚于另一调度器输出时间的能力。
• 证明在理论上不存在通用分组调度器，原因在于调度顺序和松弛时间依赖关系的固有约束。
• 提出一种转换过程，通过基于松弛时间和到达顺序迭代交换位级调度时间，将任意可行调度转换为等效于LSTF的调度。
• 基于真实网络拓扑和工作负载的仿真评估，比较LSTF与已知调度算法在三个关键指标上的性能：均值FCT、尾部延迟和公平性。
• 采用位级调度模型，以在LSTF转换过程中实现精确的松弛时间计算和可行性检查。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种分组调度算法，理论上可复现任意其他调度算法在所有网络配置下的输出时间？
• RQ2 在通用网络环境中，阻止通用调度器存在的根本理论限制是什么？
• RQ3 任何现有调度算法在多大程度上可接近实现通用性？其中哪种算法最接近？
• RQ4 LSTF能否在实际中近似实现多种调度算法在关键网络目标（如流完成时间、尾部延迟和公平性）上的性能？
• RQ5 LSTF的实际性能是否表明可编程分组调度器仍有必要，还是通用调度器可消除对自定义算法部署的需求？

主要发现

• 理论上不存在通用分组调度算法，反例证明某些调度无法被任何算法复现，原因在于松弛时间约束不可行。
• 最小松弛时间优先（LSTF）在理论上最接近通用性，因其可通过一系列保持松弛时间和可行性的位调度交换，转换为任意可行调度。
• 实证表明，LSTF在真实网络拓扑中对多种调度算法的输出时间近似程度极高，输出时间偏差极小。
• LSTF在最小化均值流完成时间（FCT）、降低尾部分组延迟以及确保流间公平性方面，性能可与最先进水平相当。
• 在涉及一个具有三个拥塞点的流的复现失败案例中，LSTF因松弛时间依赖冲突而无法维持原始调度，揭示了通用性的理论极限。
• 尽管存在此失败情况，LSTF在多种工作负载下仍表现出稳健性能，表明其是实用通用调度器的强有力候选。