【博士论文】集群系统中的网络流调度

来源：专知
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当前，集群系统的部署和使用非常广泛。

来自清华大学张彤的博士论文，入选2021年度“CCF优秀博士学位论文奖”初评名单！

https://www.ccf.org.cn/Focus/2021-11-22/750448.shtml

集群系统中的网络流调度

当前，集群系统的部署和使用非常广泛。在集群系统中，一个任务通常分为多 个处理阶段顺序执行，而在各处理阶段之间需要通过内部网络来传输数据和中间 结果。已有测量工作表明，数据传输时间占整个任务运行时间的比重很大，因此 优化集群系统中的数据传输时间对于加速任务、提升应用性能非常重要。网络流 调度是优化数据传输时间的有效方法，主要指为数据流设定传输顺序以及分配带 宽。在小规模集群系统中，网络内部容易做到无阻塞，流调度主要在边缘链路上；而在大规模集群系统中，网络内部也可能成为瓶颈，流调度也应作用于网络内部。由于集群系统应用种类繁多，通信模式各不相同，因此内部网络中既存在独 立的单流也存在并发的流束。相应地，网络流调度既包括单流调度也包括流束调 度。根据以上分类，本文分别在小规模与大规模集群系统中针对单流调度和流束 调度的问题进行了研究：

(1) 提出了稳定的单流调度策略。针对小规模与大规模集群系统都存在的调度 策略不稳定问题，本文设计了稳定的单流调度策略 BASRPT，并且针对小规模和 大规模集群系统分别设计了两个版本。BASRPT 同时考虑流的剩余大小和所在队 列的队长，优先传输长队列中的短流，既能够控制队长又能够缩短流完成时间。仿 真结果表明，BASRPT 能够维持队列长度稳定并取得较低的流完成时间。

(2) 提出了已知部分信息的流束调度策略。针对小规模集群系统中部分流束信 息可知的场景，本文设计了已知部分信息的流束调度策略 IICS。IICS 借助流束中 已到达子流信息对剩余传输时间进行预测，并基于预测值近似实现最小剩余时间 优先。仿真结果表明，IICS 能够取得与信息完全可知的策略接近的流束完成时间。 

(3) 提出了网络内部瓶颈感知的流束调度策略。针对大规模集群系统中的网络 内部瓶颈约束，本文设计了分布式网络内瓶颈感知的流束调度策略 DBA。DBA 在 所有链路的带宽约束下，通过各节点演化的方式近似实现了全网范围的最小剩余 时间优先策略。仿真结果表明，DBA 具有优越的流束完成时间性能和高吞吐量。

(4) 提出了光电路交换网络中的流束调度策略。针对大规模集群系统中光电路 交换技术的快速发展，本文设计了光电路交换网络中优化流束完成时间的调度策 略 GMRTF。GMRTF 同时结合了电路调度与流束调度，将同一电路上的子流适当 分组，组内不切换电路，组间采用最小剩余时间优先策略。大量仿真实验验证了 在光电路交换网络中 GMRTF 能够显著降低流束完成时间并提高吞吐量。