arxiv.org·2026/10/20
现有LLM服务的KV缓存重用在单集群外基本失效,跨区域同模型各区域重复prefill;而KV缓存生成在服务请求的worker上,DHT等哈希放置按身份决定位置,故KVCompass将身份与位置解耦。它基于Ludo最小完美哈希构建发现索引,把无键视图复制到每区域边缘节点,查询为常数次本地内存读;索引按网络时延导出多级前缀长度,由维护单元单写者记录持有者与VRAM/DRAM层级。转发用联合评分权衡网络距离、排队、剩余prefill与DRAM重载,避免热点。在大规模模拟和跨洲真实机器上,对Mixed、WildChat、LMSYS与哈希放置、中央目录、负载感知等基线比较,KVCompass的P99 TTFT低1.3–14×,P99端到端时延最高低3.7×,吞吐最高达4.7×,峰值负载因子距Oracle下界仅2%以内;消融显示负载感知贡献最大,跨区域重用、层级信息与热缓存迁移次之。实现含lookup、insert、update、remove操作,无键视图的端到端误命中由worker按实际持有前缀重算兜底;讨论多模型、prefill-decode分离与隐私,主评估仍为单模型同构池。
为什么重要 跨区域前缀复用此前没有可用方案;该设计直接决定 TTFT 与 GPU 预填充成本,影响多区域推理集群的架构选型。适合 做 LLM 推理服务、跨区域调度与 KV 缓存系统的基础设施工程师
KV cache 复用是降低 LLM 推理成本最有效的方法之一,但如今其收益在很大程度上局限于单一集群。当服务提供商在地理分布的多个区域提供同一模型的服务时,每个区域可能会重复预填充(prefill)相同的热门前缀,浪费 GPU 时间并增加首 token 时间(time-to-first-token, TTFT)。
跨区域利用复用需要发现哪个 worker 当前持有每个请求前缀对应的可复用 KV cache。我们证明,这一 KV cache 发现在结构上比传统对象查找更难。与 DHT 等基于哈希放置的机制不同——在那些机制中,对象的位置是其键的确定性函数——KV cache 是在服务请求的 worker 上创建的,其持有者集合会随后续请求和 KV cache 驱逐而变化。
因此,KV cache 发现需要将 KV cache 的标识与其放置位置解耦。我们提出 KVCompass,一个面向互联网规模 KV cache 共享的发现平面。该发现索引支持变长前缀查找,并在边缘以常数时间进行本地表读取,使每个请求都能被转发到最能平衡 KV cache 复用与负载及网络距离的 worker。
评估包括一个 64 个 worker 的地理分布式仿真和一个 14 个 worker 的跨三大洲真实机器测试床。评估表明,KVCompass 相比基线实现了 1.3−14× 更低的 P99 TTFT,P99 端到端延迟最多降低 3.7×,吞吐量最高达 4.7×,且峰值负载因子与 Oracle 下限的差距在 2% 以内。
KV cache reuse is one of the most effective ways to reduce LLM inference cost, but today its benefits are largely confined to a single cluster.
When a provider serves the same model across geographically distributed regions, each region may repeatedly prefill the same popular prefixes, wasting GPU time and increasing time-to-first-token (TTFT).
Exploiting reuse across regions involves discovering which worker currently holds a reusable KV cache for each request's prefix.
We show that this KV cache discovery problem is structurally harder than conventional object lookup.
Unlike hash-placement mechanisms such as DHTs, where an object's location is a deterministic function of its key, KV caches are created on the workers that serve requests, and their holder sets change with subsequent requests and KV cache evictions.
KV cache discovery therefore calls for decoupling KV cache identity from placement. We present KVCompass, a discovery plane for Internet-scale KV cache sharing.
The discovery index supports variable-length prefix lookup with constant-time local table reads at the edge, allowing each request to be forwarded to the worker that best balances KV cache reuse against load and network distance.
Evaluation includes a 64-worker geo-distributed simulation and a 14-worker three-continent real-machine testbed.
Evaluation shows that KVCompass achieves 1.3−14× lower P99 TTFT than the baselines, up to 3.7× lower P99 end-to-end latency, up to 4.7× the throughput, and a peak load factor within 2% of the Oracle floor.



| 对比项 | 之前 / 基线 | 现在 / 本方案 | |
|---|---|---|---|
| P99 TTFT | 基线方案 | 低 1.3–14×原文只写 baselines 未点名 | |
| P99 端到端延迟 | 基线方案 | 最多低 3.7× | |
| 吞吐 | 基线方案 | 最高 4.7× | |
| 峰值负载因子 | 基线方案 | 距 Oracle 下限 2% 内越接近 Oracle 越均衡 |
EVIDENCE / METHODS
要点
按到达顺序回放 WildChat,6.6%–21.2% 可复用前缀在请求到达时只存在于其他区域,单区域 KV cache 看不到。
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