2001/6/22 ネットワークシステム研究会

高速バックボーンネットワークにおける

公平性を考慮した階層化パケットスケジューリング方

式

大阪大学　大学院基礎工学研究科情報数理系専攻　博士前期課程

牧　一之進

Advanced NetworkArchitectureResearch Group

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

発表内容 研究の背景 研究の目的 階層化パケットスケジューリング方式の 提案 評価モデル シミュレーションによる評価 まとめと今後の課題

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

研究の背景 インターネットのインフラ化 ユーザのアクセス帯域の増加

特定のユーザのみが大きな帯域を占有　　　　　

公平なインターネットの構築各ユーザフローを公平にサービス

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

従来の研究 CSFQ (Core Stateless Fair Queueing)

エッジルータでレートを測定してパケットヘッダに書きこむ

コアルータでそのレートをもとに動的に廃棄確率を決定する

ヘッダの拡張が必要であり、すべてのエッジ

　　　　　ルータを更新する必要がある。 DRR (Deficit Round Robin)

フロー毎にキューを設けてスケジューリング

　　　　　コアルータでもすべてのフローに対してキュー　　　　　を設ける必要があるので実装が困難

　　

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

研究の目的 ヘッダの拡張がなくフロー毎の情報を

もたないパケットスケジューリング方式の提案 基本的に DRR のような per-flow のスケジ

ューリング 扱うべきフロー数にしたがってフローを集

約　　　エッジからコアまで適用できてスケーラブル

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

○

HAFQ

Input Output

ZombieList

ZombieList

ZombieList

提案方式 (Hierarchically Aggregated Fair Queuing) の概要(1/3)

ZombieList

ZombieList

ZombieList

各キューに収容されたフロー数を推定する

1234

各フローのパケットを振り分けるH

ashing

11

2 2

4

3 3

4

1

2

1

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

提案方式 (Hierarchically Aggregated Fair Queuing) の概要(2/3)

counterFlow Id3

14

1

57

72ゾンビリスト : {Flow Id, counter} を　　　　　　　　　 1 つの組とする 過去に到着したフロー　　　　　　　　　に関する履歴

そのキューに収容されたフロー数を推定する 同一キュー内でより多くの帯域を使用している　　フローを発見する　　　　　　

すべてのフローの情報は必要ない

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

提案方式 (Hierarchically Aggregated Fair Queuing) の概要(3/3)

○

HAFQ

Input Output

ZombieList

ZombieList

ZombieList

Hashin

g

11

1

2

2

2

34

3 3

44

1

2

1

フロー数に比例した帯域を動的に割り当てる

1 2342

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

ゾンビリスト ( リスト内に ID があるとき ) パケットがルータに到着したときのゾンビリストの

動作 ゾンビリストをすべて検索する　少ないエントリ数で、できる限り多くのフローを　管理するcounterFlow Id

3

14

1

57

722

Hit

72

counterFlow Id3

14

1

57

Count Up82

ゾンビリスト内に到着して来たフローの ID があれば、そのゾンビのカウンタ値を 1 増やす

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

ゾンビリスト ( リスト内に ID が存在しないとき )

3

counterFlow Id3

14

1

57

72

Miss Hit

7

Swap(Prob : q)

counterFlow Id3

14

1

513

ゾンビリスト内に到着して来たフローの ID がなければ、q の確率で置き換え、カウンタ値を 1 に初期化する。

No-Swap(Prob : 1-q)

counterFlow Id3

14

1

57

72

1-q の確率で何もしない。

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

SRED のフロー数推定アルゴリズム

SRED のフロー数推定方式　各フローのレートがほぼ一定であると仮定

比較の際、同じである確率 : p ( ヒット率 )

N = 1/p

2

レートにかたよりがある場合、うまくいかない

Flow Id257

2 のある確率 : 1/NN : フロー数

2

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

提案方式のフロー数推定アルゴリズム(1/2)

フロー数 = 全到着レート / 全フローの平均レート

: 全フローの平均レートN : フロー数

: フロー i のレートNN

iiavg

1

avg

N

iiN

1

i

avg

(1)

レートにかたよりがある場合にもフロー数を正しく推定できるRiを全到着レートに占めるフロー i のレートの割合として、

から推定フロー数を求めるRavg

R推定フロー数 = 1

avg

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

提案方式のフロー数推定アルゴリズム(2/2)

の計算は、ゾンビの内容が置き換えられるときに行うこのときのカウンタ値が、そのフローのレートに比例Ri

問題点 レートの高いフローが存在する場合、他のフローよりも　 多く平均到着割合に組み入れられる フロー数がエントリ数より少ない場合、定常状態で　 カウンタ値が発散してしまう

平均をとるさいに、重みをつける

エントリ数を動的に減らし、常にフロー数がエントリ数より大きくなるようにする

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

カウンタによる廃棄 各キュー間の公平性は保たれる　　　　　ところが同一キュー内の公平性は　　　　　保たれない ゾンビのカウンタ値が大きければ大きい ほど、そのフローは他のフローよりも多く の帯域を使用

counterFlow Id3

142

1

57

2214

カウンタ値が大きいフローのパケットを 優先的に廃棄

145

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

評価モデル ( シングルリンクモデル )

Sender Hosts Receiver Hosts

Router Router

Bottleneck LinkS1

S64

R1

R64

フロー数 : 64 本帯域 : 155 [Mbps]伝播遅延時間 : 1 [ms](bottleneck link) 　　　 0.1 [ms](access link)

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

推定フロー数の評価

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10

Nu

mb

er

of fl

ow

s

Time(s)

SREDHAFQHAFQ(DROP)

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10

Nu

mb

er

of fl

ow

s

Time(s)

SREDHAFQHAFQ(DROP)

TCP のみ 64 本TCP : 32 本UDP(3.2Mbps) : 32 本

SRED に比べて HAFQ は推定フロー数が実際の数に近い

●1 秒毎にフロー数を 2 倍にしていく、キュー数を 1 とし、ゾンビ数を 4 とする

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

各フローのスループットの評価

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 10 20 30 40 50 60 70

Th

rou

ghp

ut[M

bps]

Flow Id

FIFO,TailDropHAFQHAFQ(DROP)

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 10 20 30 40 50 60 70

Th

rou

ghp

ut[M

bps]

Flow Id

FIFO,TailDropHAFQHAFQ(DROP)

TCP のみ 64 本TCP : 32 本UDP(3.2Mbps) : 32 本

レートの高いフローが存在する場合、 HAFQ(DROP) では高い公平性を実現

● 各フローは同時に送信を開始する

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

フロー数を変化させた場合の評価

0.2

0.4

0.6

0.8

1

4 8 16 32 64 128 256 1024

Fa

irne

ss In

dex

Number of flows0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 4 16 64 256 1024

Fa

irne

ss In

dex

Number of flows

FIFO,TailDropDRRHAFQHAFQ(DROP)

DRR: 　キュー数 64 とし、フロー数が 64 本を　　　　越えるとき、ランダムにキューイング

HAFQ: CRC16 でハッシング キュー数 64, ゾンビ数 4

TCP のみ TCP と UDP が混在

HAFQ: DRR と同等の性能 ( フロー数が少ないとき )　　　　　従来手法に比べて高い公平性を実現 ( フロー数が多いとき )

FIFO,TailDropDRRHAFQHAFQ(DROP)

2001/6/22 ネットワークシステム研究会

まとめと今後の課題 まとめ

エッジルータやコアルータの能力に応じて スケーラブルに実装可能なパケットスケジ

ューリング方式の提案 フロー毎の優れた公平性を実現

今後の課題 ルータを多段に配置した場合の影響 既存のルータと共存できるのか ?