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【NSDI 2022】PowerTCP: Pushing the Performance Limits of Datacenter Networks

NSDI
2022-11-23
2280
更新：2023-01-04 21:42:58

> PowerTCP实现源代码：https://github.com/inet-tub/ns3-datacenter 
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> 论文Latex源码：https://arxiv.org/e-print/2112.14309
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> 本文作者：吴义（1482675166@qq.com）
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## 一．简介

这个GitHub开源库在NS3中实现了2篇论文的算法，NSDI 2022 PowerTCP(也就是本篇)和SIGCOMM 2022的"ABM: Active Buffer Management in Datacenters"。它的基础是ns3-rdma和HPCC，预计这个开源库以后的会变得非常重要。

PowerTCP基本思想: RTT(谷歌主推，代表性的CC有TIMELY, SWIFT)，ECN(微软主推，代表性CC有DCTCP, DCQCN), INT(阿里主推，代表性CC有HPCC), 作者观点：我们不应该争论用那种拥塞信号，而更应该关注我们如何去用好这些信号。在电路系统中，功率(power)等于电压(voltage)乘电流(current)。<font color=red>类比于拥塞控制，电压就类似于一种绝对状态，在网络中，就是绝对的RTT或者队列长度这些信息；电流就类似于对变化的反应，比如RTT变化的梯度（典型地，TIMELY基于RTT的梯度）</font>，因为这些变化和网络流相关，所以将它们类比于电流。借助INT获得Power: power = currrent * voltage.

## 二．算法核心

上图说明了PowerTCP的设计，综合电流和电压，设计出功率型的CC。

上图生动说明了电压型(HPCC, DCTCP, DCQCN, SWIFT)和电流型(TIMELY)的CC对网络状态的反应，总结起来就是：电压型的CC对绝对值的变化敏感，与其大小的变化成正比；而电流型的CC对绝对值变化的梯度的变化敏感。所以PowerTCP的设计思想就是融合电流型和电压型CC的优点，避免他们的缺点。

同时，上图说明电压型的CC是有固定收敛点的，但是由于对梯度变化不敏感只对绝对值的大小敏感经常导致过度反应，最终收敛到平衡点要很久，从而导致吞吐损失，而电流型的CC反应很快，但没有唯一的收敛点，所以队列震荡很明显。总之，要达到高吞吐低时延，且收敛的点为:

用$$\varepsilon$$控制队列长度大小。理想的平衡点是刚好满带宽，且队列长度为空。

将RTT, INT , ECN统一起来，计算下一阶段的发送窗口值为：

$$\delta t$$是更新时间间隔，$$w_i$$是第i条流的发送窗口大小，$$\beta$$是加性因子(一般用于公平性)，$$e$$是目标收敛值，$$f(t)$$是测量后的观察值，$$\gamma$$是指数加权平均系数。这个公式比较好理解。举个例子，比如以电压型CC为例，目标收敛点是BDP= 10000字节，当前计算得出的$$f(t)$$算得绝对的数据(BDP+Queue length)为15000字节。那么讲道理，发送端应该调整为$$w=w*(10000/15000)=0.67w$$。其他参数都是一些系数，调整公平性，动态稳定性用的。其他基于RTT，或RTT-gradient也是类似的道理。

用欧拉一阶近似计算$$w_i$$的梯度为：

这个公式就是求个一阶导。

队列梯度：

注意，这个$$\lambda(t-t^f)$$不是乘，是$$\lambda(x)$$函数，其中$$x$$ 取$$t-t^f$$。这个$$\mu(t)$$是在t时刻出端口的传输速率。$$t^f$$是从发送端到瓶颈点的时延，所以这个公式就是说所有发送端的入队速率减去出队速率就是队列增长的速率。

总之，有两个Takeaway，

1）虽然基于电压的CC原则上可以满足等式1中所需的平衡状态要求，但基于电流的CC不能

2）基于电流的CC在快速反馈方面具有优势，但缺乏平衡态性质，而基于电压的CC最终达到唯一平衡，但对几乎任何初始状态的响应都反应过度，导致从初始状态到平衡状态的长轨迹，从而导致吞吐损失。

我的理解：本文提出的观点在于：电压型的CC有较好的收敛性，但收敛速度慢且反应过度导致吞吐损失。电流型的CC没办法收敛，但是反应速度很快，在早期就能很好地感知拥塞的发生。PowerTCP核心IDEA：融合电压和电流型CC的优点，功率=电压×电流，设计出一款既有较好的收敛性，同时反应速度很快的CC

PowerTCP伪代码如下:

感觉基本上和HPCC非常类似。只不过加了个qlen的梯度。

另外，为了解决PowerTCP无法使用INT的情况，提出了θ-PowerTCP, 但是做了一些不合理的假设，如发送速率它统一为b, 这在拥塞场景下没问题，但是在有空闲带宽的情况下，就不成立了，所以在有空闲带宽的情况下采取加性增。在paper里说道，在最拥塞的情况下基于INT版本的PowerTCP和基于RTT版本的θ-PowerTCP的性能几乎一致，但是没那么拥塞的话，θ-PowerTCP就不那么有效了，因为它做的前提假设都不成立。

## 三．实现

实现：没有做具体的落地实现，只是做了展望，所有测试都在ns-3上做的

## 四．总结与思考

这篇论文还挺有意思的，将绝对属性定义为电压，将变化率定义为电流，并通过电压×电流定义功率提PowerTCP的概念，融合了物理学基础知识，故事逻辑讲得挺好的。算法实现不算难，基本和HPCC的实现非常类似。预计这篇论文以后的引用量会较多，未来很可能会是一篇在数据中心拥塞控制领域比较重要的论文。

**思考：**

一个收敛点，想让其他非收敛值快速收敛到这个点，且如果脱离了该收敛点就会有强大阻力。物理学上的楞次定理可能回答了一半，来拒去留，我们要的是去留，而来不拒，而且来是吸引，是拥塞算法始终围绕这BDP做文章 。此外，那些瞬时的网络冲击是否可以类比于动量，冲量这些物理含义？

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