agentic-kvc/PAPER_OUTLINE.md

EAR: Elastic Affinity Routing for Agentic LLM Serving

One-liner: Agentic LLM workload 的 KV reuse 93% 是 intra-session 的，且 turn 间 tool-call 反馈耦合把单 request 的延迟差放大成 throughput 差距 —— locality 因此成为主导调度杠杆；现有 load-balance 丢 locality、静态 PD-disagg 撞 D 侧 KV 墙、pure session-sticky 造 hot pin，我们提出 session-affinity routing + hot-instance 触发 session migration 的调度器 EAR (Elastic Affinity Router)，单一方案同时拿到 locality 和 balance。

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📊 Validation Status (2026-05-27)

部分	现有数据	待补
§2 Workload characterization	✅ 完整 (3 张图复用)	—
§3.1 Load-balance 丢 locality	✅ 完整 (f4a)	—
§3.2 静态 PD-disagg 撞 KV 墙	✅ 完整 (f4b)	—
§3.3 Sticky 造 hot pin	✅ 完整 (f4c, f4d)	—
§4.1-2 Affinity routing	✅ 已实现（current unified 算法）	—
§4.3 Migration mechanism	🚧 DEFERRED	待 connector_tax fix 后重测
§5.2 End-to-end	⚠️ 5/6 baseline 有数据 (f6)	缺 static PD-disagg；EAR 列待 migration
§5.3 Ablation	🚧 PARTIAL DEFER	仅 affinity-only 现可做，full 待 migration
§5.4 Dispatch coupling validation	🚧 NEW DATA NEEDED	5 baseline wall-clock 重跑（Phase 1 patch 后）
§5.5 Sensitivity	🚧 PARTIAL DEFER	λ/skew/KV pool 可做；T_hot/T_cool 待 migration
§5.6 Migration microbench	🚧 FULL DEFER	完全依赖 migration validation

前提背景：team 之前 4 次尝试 migration 都因 transfer overhead 被还原（见 analysis/unified_routing_fix_review.md）；最近 connector_tax 工作的 DR-fix 把 build_connector_meta 的 1.4ms/step overhead 降到接近 0，但还未跑过完整 migration 实验。EAR 的 migration 部分目前是 design intent，待重测后写入实证。

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§1 Introduction

Agentic LLM workload —— 由 LLM 通过 tool call 自驱、多 turn 完成任务 —— 已经成为推理系统的主导负载，但现有为 chatbot 设计的调度策略在 agentic 下普遍失败。本文先刻画 agentic 与 chatbot 的本质区别，然后说明为什么三类主流调度都不够，最后给出 EAR 设计。

Contributions:

• C1 Dispatch coupling 论证：我们形式化一个 agentic workload 独有的反馈环 —— 单 turn 服务时间通过 Little's Law 隐式方程影响并发 session 数，从而把 per-request 延迟差放大成 throughput 差距。实测：load-balance baseline 在 600s trace 上跑出 8x wall-clock amplification；EAR 跑出 TBDx。
• C2 EAR 设计：两个 pillar 的调度器 —— affinity-default routing 抓 intra-session locality，hot-instance 触发的 session migration 在 hotspot 出现时把整个 session 的 KV 搬到更轻的 instance，避免 hot pin。
• C3 评估：在真实 Qwen3-Coder agentic trace 上，EAR 同时 dominate 5 个 baseline 的 TTFT、TPOT、APC、hotspot index、wall-clock 五个维度。

Figure 1: Teaser — wall-clock vs trace-time across schedulers — figs/f1_teaser.png 🚧 TBD (NEW DATA NEEDED)

Needs Phase 3 measurements: 5 baselines × 3 runs of trace replay, extract amplification = wall_clock_s / trace_span_s from each summary (Phase 1 patch already exposes the field). Plot as bar chart with y=1 reference line. EAR row 暂为 TBD（待 migration validation）。

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§2 Background and Workload Characterization

§2.1 Agentic Workload Primer

Agentic workload 与 chatbot 的三个本质差异：

• Multi-turn, programmatic continuation：每个 turn 由上一个 turn 的 tool-call 结果触发，没有人类 think-time
• Prefill-dominated：input/output token ratio 75x，98% 计算在 prefill 阶段（chatbot 为 1-10x）
• Skewed sessions：top 1% session 贡献 46.5% input token 量

平均 session 长度 TBD turn、TBD 输入 token；p99 单请求 KV 占用 11.49 GiB（H20 96GB HBM 的 12%）。

§2.2 KV Cache Reuse Topology

Trace 上 KV reuse 的分解：

Class	Share
Intra-session	93.2%
Cross-session	5.7%
Shared prefix	1.1%

理论 APC 上界：any-session 80.3%，intra-session-only 79.6%，差距 <1pp。cache 本质上是 session-local 的；任何不保留 session affinity 的调度都丢掉绝大部分 reuse 机会。

Figure 2: Workload characterization (3 panels) — 现有数据可复用：

• figs/f2a_reuse_topology.png ✅ — intra-session 93.2% / cross-session 5.7% / shared 1.1% bar
• figs/f2b_session_skew.png ✅ — top 1%/5%/10% session input-token mass
• figs/f2c_kv_footprint_cdf.png ✅ — per-request KV footprint p50/p90/p95/p99 (p99 = 11.8 GiB ≈ 12% of H20)

📝 Layout TBD：三张拼成 1×3 还是分散到 §2.1/§2.2/§2.4 各一张。

§2.3 Dispatch Coupling — Why Locality Dominates

这是本文最依赖直觉的论证，单独成节。

直觉：chatbot 里每个 turn 后人要读、想、打字，外部时钟控制下一个 turn 何时到达；agentic 里 LLM 一拿到 tool-call 结果立刻发下一个 request，系统自己的速度决定下一个 turn 何时到达。所以一个慢策略不仅让单请求变慢，还让 session 在系统里停留更久 → 并发 session 更多 → KV 竞争更激烈 → 每个 turn 更慢 —— 反馈环。

具体例子：一个 coding agent 跑 20 turn 的任务。

• 快策略：每 turn 2s，session 共 40s，平均并发 10 个 session
• 慢策略（线性估算）：每 turn 3s，session 共 60s，应该并发 15 个
• 慢策略（实际）：15 个并发让每 turn 被推到 4s，session 80s，并发 20 个，turn 再推到 5s …… 直到撞墙或落到一个远更糟的新平衡

对照 chatbot：每 turn 后人读 30s。turn 从 2s 变 3s，session 从 32s 变 33s，3% 差距，几乎无反馈。

形式化。记 Λ = session 到达率（trace 给定），N = 每 session 的 turn 数，W_turn(L) = 单 turn 服务时间，是当前并发 session 数 L 的递增函数（并发越多、KV 竞争越激烈、W_turn 越大）。

Chatbot 的 Little's Law:

L = Λ · N · (W_turn(L) + T_human)

被大常数 T_human 主导，W_turn(L) 的扰动几乎不动 L。

Agentic 的 Little's Law（T_human ≈ 0）:

L = Λ · N · W_turn(L)

这是关于 L 的隐式方程。设策略变化让 W_turn 整体放大 (1+ε) 倍，小扰动分析得到：

dL/dε|_{ε=0} = L* / (1 − Λ · N · W'_turn(L*))

分母接近 0 时（系统接近 KV 饱和），放大系数发散。这就是为什么 lmetric 在 600s trace 上跑出 8x wall-clock 放大。

Figure 3: Dispatch coupling schematic — figs/f3_coupling_schematic.png 🚧 TBD (CUSTOM DRAW)

需要新画一张示意图：上半 chatbot timeline（system → T_human → system → T_human → ...），下半 agentic timeline（system → ε → system → ε → ...），右侧叠一个反馈环箭头 W_turn → Λ → L → W_turn。适合用 TikZ / draw.io / matplotlib annotate。

§2.4 Takeaway

三个性质 —— intra-session locality dominant (§2.2)、long context + prefill-heavy (§2.1)、dispatch coupling (§2.3) —— 共同决定了 agentic workload 的调度必须以 locality 为主导，并能容忍 skew 带来的 instance 间负载不均。

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§3 Why Existing Schedulers Don't Fit

三类现有调度各自撞上 §2 三个性质中的一个：

§3.1 Load-balanced routing 丢 locality

Round-robin 和 load-aware routing（如 LMetric, OSDI'26）最大化 instance 利用率，但忽略 session affinity。实测 APC 跌到 56.9%（vs 上界 79.6%），23pp 的差距直接来自丢失的 intra-session cache hit。违反 §2.2。

§3.2 静态 PD-disaggregation 撞 D 侧 KV 墙

静态把 instance 分成 P pool 和 D pool 对 chatbot 有效，对 agentic 失败：agentic 请求平均 33.6k token，需要 3.3GB KV；4D 方案下 p90 请求占 D 侧 KV pool 69%，p99 直接 溢出 138%。结果：TTFT p50 暴涨 62-72x，成功率从 99.5% 跌至 52-68%。违反 §2.1（prefill-dominant + 长 context）。

§3.3 Pure session-sticky 造 hot pin

硬 session-instance 绑定恢复 locality（APC 77.2%，达到上界 97%），但把 skew 中的大 session 锁在单 instance 上，interference index 从 LMetric 的 6.53 翻倍到 13.65（同 trace 同硬件）。违反 §2.4 的 skew 容忍要求。

Figure 4: Three baselines, three failure modes — 拆成三个子图，分别放在 §3.1/§3.2/§3.3：

• §3.1 figs/f4a_apc_loss.png ✅ — APC 实测 vs 理论上界 79.6% (lmetric 56.9%, load_only 54.1%, capped 31.6%, sticky 77.2%, unified 79.4%)
• §3.2 figs/f4b_pdsep_kv_wall.pdf ✅ — D 侧 KV pool 占用 vs per-request KV footprint，4P+4D 和 6P+2D 在 agentic regime 都穿过 90% 内存墙
• §3.3 figs/f4c_apc_vs_hotspot_tradeoff.png ✅ — APC vs hotspot index 散点（unified/sticky 在高 APC 高 hotspot 区，lmetric/load_only 在低 APC 低 hotspot 区）

📝 可选 figs/f4d_pd_interference.png ✅ — Prefill-decode 干扰（同 GPU 8k prefill 让 TPOT 退化 66x），放 §3.3 支撑 sticky 的 interference 论证。

§3.4 Takeaway

问题不是任何单一 baseline 太弱，而是没有一个方案同时满足 §2 的三个性质：保留 locality、尊重 D 侧 KV 容量、容忍 skew 带来的负载不均。EAR 是据我们所知第一个三件事同时做到的调度器。

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§4 Design: EAR

§4.1 Architecture

EAR 是位于 N 个同质 instance 之上的 router。每个 instance 是对称的 PD-colocated，没有静态 P/D 分区。每个 session 在 router 内维护一个 host binding —— 当前持有该 session KV 状态的 instance。Binding 在常态下稳定，仅在 hotspot 触发时通过 migration 改变。

Figure 5: EAR architecture and request flow — figs/f5_architecture.png 🚧 TBD (CUSTOM DRAW)

组件图：router (含 session→host table) → N 个 symmetric instances；affinity 路径实线，migration path 虚线。适合 TikZ / draw.io。

§4.2 Pillar 1: Affinity-Default Routing

• Cold start：新 session 到达时，router 用 load-balance（选 pending prefill tokens 最少的 instance）分配初始 host
• Warm path：已建立 session 的后续每个 turn 一律路由到当前 host
• 效果：intra-session KV reuse 被构造性保留，APC 接近 §2.2 的上界 79.6%

§4.3 Pillar 2: Hot-Triggered Session Migration 🚧 DEFERRED VALIDATION

避免 Pillar 1 退化成 pure sticky 的关键 mechanism。

状态：Design 描述完整，但实证数据待 connector_tax DR-fix 之后重测。之前 4 次 migration 尝试（6b255fa, e991960/5772149, cc6e562, 4c583f2）都因 transfer overhead 被还原 —— 直到 DR-fix 之前，migration 的实测收益始终被 overhead 吞掉。新一轮验证未跑。

§4.3.1 Trigger signal

EAR 实时监控每个 instance 的 pending prefill tokens。新 request 到达且按 affinity 应该路由到 host H 时，router 先检查：

• H.pending_prefill > T_hot？（hotspot 检测）
• session 在过去 T_cool 秒内未发生过 migration？（thrashing prevention，§4.3.4）

两个条件同时满足才考虑触发 migration。T_hot 和 T_cool 的取值见 §5.5 sensitivity。

§4.3.2 Target selection

候选集：所有 instance 中 (a) 剩余 KV 容量能装下 session 现有 context、(b) pending_prefill 严格小于 H 的。选 pending_prefill 最低者。

关键设计点：我们用 observable current load 而不是 predicted transfer time 排序。文献和 colleague 数据均显示 mooncake cost model 的预测误差达 10-21x；而 pending prefill tokens 是 router 直接观察到的数值，accuracy by construction。

若候选集为空（所有其他 instance 都装不下，或都比 H 更忙），EAR 保留当前 binding，继续在 H 上处理请求 —— migration 是 opportunistic，不是 mandatory。

§4.3.3 Mechanism

Migration 触发时：

1. 当前 request 直接重定向到 target instance T
2. session 累计的 KV 状态从 source H 通过 Mooncake kv_connector 传输到 T
3. session 的 host binding 更新为 T；后续 turn 按 affinity 自动路由到 T

KV transfer 发生在触发该 migration 的 request 的 critical path 上，但被该 session 剩余的 TBD turn 摊销。

§4.3.4 Thrashing prevention

每个 session 维护 last_migration_timestamp。在 cooldown T_cool 内被禁止再次 migrate。Cooldown 把 migration 行为限制在 O(session_lifetime / T_cool) 量级。

§4.4 Implementation

基于 vLLM 0.18.1 + Mooncake (vanilla kv_connector)。EAR 是一个 router 进程，~TBD LoC。Session→host 表用 TBD（in-memory dict / Redis）维护。

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§5 Evaluation

§5.1 Setup

• Trace: 真实 Qwen3-Coder agentic trace，TBD requests / TBD seconds / r=0.0015 st=0.3，peak QPS ~1.6，APC headroom ~76%
• Hardware: TBD × H20 (96GB HBM)
• Engine: vLLM 0.18.1 + Mooncake kv_connector
• Baselines (6 个):
  1. load-balance —— round-robin
  2. LMetric —— OSDI'26 load-aware routing
  3. kvcache-aware + load-balance —— linear combination of cache score and load score
  4. sticky —— 硬 session-instance pinning
  5. static PD-disagg —— 4P / 4D 静态分区
  6. EAR —— 本文
• Metrics: TTFT (mean/p50/p90/p99)、TPOT (同上)、E2E、APC、hotspot index、wall-clock vs trace-time

§5.2 End-to-end Performance

Figure 6: End-to-end performance — figs/f6_e2e_latency_bars.png ✅ (PARTIAL)

现有：TTFT/TPOT/E2E p90 bar chart × 5 policies (lmetric / load_only / sticky / unified / capped)。 🚧 TBD (NEW DATA)：缺 static PD-disagg 那一列；EAR 列也是 TBD（需 migration validation）。要再补一张同样格式但包含全 6 个 baseline 的图。

Scheduler	TTFT p50	TTFT p90	TPOT p90	APC	Hotspot idx	Wall-clock factor
load-balance	TBD	TBD	TBD	TBD	TBD	TBD
LMetric	TBD	TBD	TBD	56.9%	6.53	~8x
kvcache+load	TBD	TBD	TBD	TBD	TBD	TBD
sticky	TBD	18.02s	TBD	77.2%	13.65	TBD
static PD-disagg	62.8s	TBD	TBD	TBD	TBD	TBD
EAR	TBD	7.35s	TBD	79.4%	TBD	TBD

(粗体数字来自现有 "unified" 原型测量。)

§5.3 Ablation 🚧 PARTIAL DEFER

我们独立关闭两个 pillar:

• EAR (affinity only): 等价于 pure sticky；衡量 locality 单独贡献
• EAR (migration only): cold-balance + reactive migration，无 affinity；衡量 migration 能否独立成立
• EAR (full): 两个 pillar 都开

Figure 7: Ablation — figs/f7_ablation.png 🚧 TBD — DEFERRED (BLOCKED ON MIGRATION VALIDATION)

完整 ablation 需要 migration-only / both / affinity-only 三个配置。Migration-only 和 both 都依赖 migration 重测。现阶段可先做 affinity-only vs load-balance 的两点对比（已有数据：unified 79.4% APC vs lmetric 56.9% APC）。

预期结论：affinity-only 拿到 locality 但 interference 翻倍；migration-only 抓不住 locality；两者都必须。

§5.4 Dispatch Coupling Validation

闭环 §2.3 的论证。对每个 baseline 测量：

• 单 turn 平均服务时间 W_turn（x 轴）
• Wall-clock / trace-time amplification（y 轴）

Figure 8: Wall-clock amplification vs per-turn service time — figs/f8_coupling_measured.png 🚧 TBD (NEW DATA)

散点：x = 平均 per-turn W_turn（从 per-request metrics 算 TTFT + decode_time），y = amplification (wall_clock / trace_span，Phase 1 patch 已暴露)。每个 baseline 一个点。理论曲线 L*/(1 − Λ·N·W'(L*)) 叠加（可选）。这是 §2.3 论证的实证 closure，优先级最高。

预期：EAR 在 W_turn 最小且放大系数最低的角上。

§5.5 Sensitivity

参数	范围	检验
到达率 λ	TBD	EAR 在低/高负载下是否稳定 dominate
Skew 程度 (Zipf α)	TBD	sticky 与 EAR 的差距是否随 skew 拉开
KV pool size	TBD	static PD-disagg 撞墙边界
T_hot (migration threshold)	TBD	触发太宽 → thrash，太严 → 错过
T_cool (cooldown)	TBD	同上

Figure 9: Sensitivity heatmaps — figs/f9_sensitivity.png 🚧 TBD (NEW DATA, PARTIAL DEFER)

Arrival rate / skew / KV pool size 这三轴可现在做（不依赖 migration）；T_hot / T_cool 两轴依赖 migration validation，deferred。

§5.6 Migration Microbenchmark 🚧 FULL DEFER

刻画 EAR 内部 migration 行为：

• Migration 触发率（% of requests）
• 平均 KV transfer 时间
• Migration accuracy：迁移后 target instance 在接下来 TBD 个 turn 内保持非 hot 的比例
• Thrashing rate：cooldown 窗口内多次迁移的 session 占比（应为 0）

Figure 10: Migration timeline — figs/f10_migration_timeline.png 🚧 TBD — DEFERRED (BLOCKED ON MIGRATION VALIDATION)

时间轴上每个 instance 的 pending prefill tokens heatmap，migration 事件以箭头标出。完全依赖 migration 重测。

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§6 Discussion and Limitations

• Extreme skew: 若单个 session 自己就把任意 instance 撑成 hot，EAR 退化为 sticky。我们未在该 regime 做 stress test。
• Cost model accuracy: EAR 用 observable load 绕过了预测误差问题。但未来若引入 predictive admission control，需要解决 mooncake cost model 10-21x 误差。
• Heterogeneous hardware / multi-model: EAR 假设 instance 同质。混合模型 / 混合 GPU 池需要扩展 binding 模型。
• Per-instance batch tuning (future): 动态调整 max_batched_tokens 可能进一步降低 instance 内部 prefill-decode 干扰，留作 future work。

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§7 Related Work

• LLM serving systems: vLLM, Mooncake, SGLang, DistServe, Splitwise. EAR 基于 vLLM + Mooncake 实现，与 DistServe/Splitwise 不同之处在于不做静态 P/D 分区。
• Cache-aware routing: LMCache, Production-Stack, LMetric (OSDI'26)。这些工作最小化 cross-instance cache miss，但不迁移状态。
• Stateful service migration: Pollux, Gandiva (RL training)。EAR 借鉴 migration-as-rebalancing 思路，将其迁移到 LLM inference 的 KV cache 场景。

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§8 Conclusion

对 agentic LLM workload，locality 是主导调度杠杆。EAR 用 session-affinity routing 抓住它，用 hot-triggered session migration 保护它，单一方案在 TTFT、APC、hotspot、wall-clock throughput 四个维度同时 dominate 五个 baseline。

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Work Plan

✅ Done

• §1 anchor sentence + contribution bullets
• §2 outline + reuse existing characterization figures (f2a/f2b/f2c)
• §3.1/§3.2/§3.3 outline + reuse existing baseline failure figures (f4a/f4b/f4c/f4d)
• §4 design description (§4.3 待实证)
• §5.2 partial figure (f6 5/6 baselines)
• replayer/replay.py patched to emit trace_span_s + amplification in summary

🟢 Can do without migration (paper writing now possible)

• Draft §1-§4 正文（数据全有，figures 已 copy 完）
• §2.3 dispatch coupling 那一节的正文 draft（数学已经在 conversation 里推完）
• §3 三个失败模式正文 draft
• §5.4 wall-clock amplification 实测（5 baseline × ≥3 runs）— 优先级最高，这是 §2.3 的实证 closure
• §5.2 把 static PD-disagg 补进 f6 那张图（重跑或合并现有 PD-sep 数据）
• §5.5 sensitivity 的 λ / skew / KV pool 三轴
• §3 三张子图各自独立的 latex/markdown layout 决定

🚧 Deferred (待 migration validation)

• §4.3 migration mechanism 重测（connector_tax DR-fix 之后跑）
• §5.3 full ablation (migration-only + both 两个配置)
• §5.5 T_hot / T_cool 两轴 sensitivity
• §5.6 migration microbench 全部
• §1 teaser 图 (f1) EAR 那一列
• §5.2 表里 EAR 那一行
• §4.3.1 / §4.3.4 的 T_hot 和 T_cool 取值

🎨 Custom drawings (paper-writing 阶段)

• f3_coupling_schematic.png —— chatbot vs agentic timeline + 反馈环
• f5_architecture.png —— EAR 组件图

❓ Open design decisions

• §4.4 session→host 表的存储介质（in-memory dict vs Redis）
• §5.1 instance 数量、trace 总长度的最终定稿