SIGCOMM論文選摘

SIGCOMM論文選摘

性能優化

數據中心通訊中安全高效的精細TCP重傳

作者：Vijay Vasudevan, Amar Phanishayee, Hiral Shah, Elie Krevat, David G. Andersen, Gregory R. Ganger, Garth A.Gibson, Brian Muel ler

這篇論文為數據中心以太網面臨的高帶寬并發TCP負載問題（TCP incast問題）提供了一個解決方案。在這些網絡中，接收者在同時向多個服務器用TCP發送請求的時候，就會感受到應用程序吞吐率的顯著下降。進來的數據充滿了小交換機的緩存，導致TCP超時幾百毫秒。對于很多有臨界并發需求（比如文件系統讀取和以及并行的密集數據查詢）的數據中心負載，吞吐率可能下降90%。對于延遲敏感的應用程序，數據中心的TCP超時給RTT在微秒量級的網絡增加了幾百毫秒的延遲。

研究者的實用解決方案使用高分辨力的計時器以支持毫秒級的TCP超時。他們證明這項技術可以在模擬和真實的試驗環境中有效地避免TCP incast崩潰。并證明消除最小的重傳超時限制對于所有網絡環境都是安全的，包括廣域網。

ROAR：提高分布式搜索的靈活性和性能

作者：Costin Raiciu, Felipe Huici, Mark Handley, David S. Rosen

為了快速的網絡搜索，搜索引擎將網絡索引分塊到很多服務器上，每處理一個查詢請求都要查詢每個分塊。為了提高吞吐率，每臺服務器都增加了副本。這個算法的關鍵是平衡副本和分塊：提高分塊級別會縮短查詢的完成時間，因為更多的機器參與處理查詢請求；但同時也帶來了每個子查詢不可忽略的啟動成本。尋找正確的操作點并適應它是提高性能和降低成本的關鍵。

研究者介紹了環上的聚合（ROAR），一種新的分布式算法，可以在線重新配置分塊級別。ROAR可以在不停止系統的情況下增加和減少服務器數量，處理服務器故障，以及提供好的負載均衡，即便使用了不同的服務器池。他們在一個私有的基于ROAR的搜索應用上驗證了它的性能。

網絡體系結構

雙重無線電網狀網絡中實用的分布式路由分配

作者：Aditya Dhananjay, Hui Zhang, Jinyang Li, Lakshminarayanan Subramanian

要充分發揮多重無線電網狀網絡的優勢面臨兩大挑戰：第一，怎樣給各節點分配無線電信道以減小干擾；第二，怎樣在有損鏈路、變化的信道條件及有外部負載的情況下選擇高吞吐率的路由路徑。

這篇論文介紹了ROMA，一個實用的分布式信道分配與路由協議，能夠在雙重無線電網狀網絡的各節點與一個或多個網關節點間達到好的多跳路徑性能。ROMA沿著各網關路徑，給鏈路分配不重疊的信道以消除路徑內干擾，同時，在任何有可能的時候，通過給到不同網關的路徑分配不同的信道，以減少路徑間干擾。

在一個2 4節點雙重無線電試驗床上的評估試驗表明，ROMA可以在不同的情況下達到高的吞吐率。

無線網絡

干擾校正與取消

作者：Shyamnath Gol lakota, Samuel David Per li，Dina Katabi

現有的多路輸入多路輸出（MIMO）局域網受限于AP上天線的數量。這篇論文展示了怎樣克服這個限制。該文介紹了干擾校正和取消（IAC），這是一種新的給MIMO網絡中并發發送-接收對進行解碼的方法。

IAC把干擾校正和干擾取消兩項信息處理技術綜合起來，并證明這種組合適用于單一一種技術無法適用的場景。分析表明，IAC幾乎可以達到MIMO局域網兩倍的吞吐。同時在GNU-無線電上實現了IAC，并在2×2的MIMO局域網上進行了驗證，IAC在下行鏈路上平均提高到1.5倍的吞吐，在上行鏈路上平均提高到2倍的吞吐。

用定向天線提高室內無線容量

作者：Xi Liu, Anmol Sheth, Michael Kaminsky, Konstant ina Papagiannaki, Srinivasan Seshan, Peter Steenkiste

室內環境（比如家庭或辦公室）的無線帶寬需求正在快速增長。雖然類似MIMO這樣的無線技術可以在單鏈路的吞吐率達到幾百Mbps（802.11n），但怎樣在有大量密集無線裝置的環境中高速傳輸仍然是一個未解的問題。定向天線被認為是一個提高空間利用率的有效途徑，但過去的工作主要關注于室外環境，室外無線鏈路間干擾可以被忽略。這個假設在密集的室內網絡環境中是不被接受的，因為室內部署需要解決強散射和多徑效應問題。

這篇論文中介紹了DIRC，一個在接入點上使用相伴陣列天線以便在密集的室內環境中達到高吞吐率的無線網絡設計。DIRC的核心是一個可以提高空間利用率和通過優化定向天線網絡的定向能力來最大化總體網絡容量的算法。

結果表明，DIRC提高了室內環境中的總體網絡容量 ，同時足夠靈活地適應節點移動性和變化的流量負載。

為無線載波檢測辯護

作者：Micah Z. Brodsky, Rober t T. Mor ris

載波檢測通常被用來對無線MAC協議中的并發進行整流，平衡干擾防護與空分復用。載波檢測被認為是不完美的，有很多改進的技術被提出來。那么真的需要為它尋找一個替代品嗎？

這篇論文介紹了一個基于無線電傳播理論和香農容量的一般兩發送者載波檢測的理論模型。利用這個模型的分析，證明載波檢測的性能與自適應比特率無線電的理想性能驚人的相似。這個模型表明，隱藏的和暴露的終端往往造成吞吐量的適度衰減，而不是急劇減少。依據噪聲基準，可以選擇一個固定的在大部分場合表現良好的檢測門限。

互聯網的新方向

削減網絡上大規模的電力開銷

作者：Asfandyar Qureshi, Rick Weber, Hari Balakrishnan, John Guttag, Bruce Maggs

能源支出日益成為數據中心運營成本的重要部分。與此同時，每單位計算的能源支持在不同的地區可能差異很大。這篇論文中描述了由于電價波動帶來的成本變化，并證明現有的分布式系統可以通過利用這種成本變化獲得可觀的經濟收益。

由于地域需求的差異，傳輸的低效以及生產方式的差異，電價呈現出臨時的和地域性的變化。論文分析了美國9個地區的歷史電價，以及從AKAMAI的CDN上收集到的網絡流量數據，用仿真的方法量化了實際流量負載情況下可能得到的經濟收益。

結果表明，現有的系統通過利用計算成本的地區性差異，每年可以節省700萬美元的電力成本。

小道路由

作者：P. Brighten Godf rey, Igor Ganichev, Scott Shenkerz,Ion Stoica

這篇論文介紹了一種新的路由協議——小道路由。通過在網絡上發布路徑的片段（即小道），源端把小道拼接成端到端的源地址路由。

直觀上看，小道是高度靈活的建筑模塊，在遵循協議約束的同時，可以支持指數數量級的路徑選擇。特別的，它還可以模擬BGP、源地址跌幅以及一些新的協議策略。

小道路由的這種靈活性讓我們解決了網絡路由的兩大挑戰：可擴展性和源端控制路由。當一個路由器的路由策略只有“本地”的約束的時候，它可以表現為使用少量小道，生成小的轉發表并為發送者提供很多路由選擇。關鍵是小道路由并沒有為選擇哪種策略提出全局的要求，而是允許多種策略并存。

因此，這個協議在支持和鼓勵采用生成小的轉發平面和高路徑選擇度的策略的同時，支持復雜的路由策略。

路由和轉發

穩定而靈活的iBGP

作者：Ashley Flavel, Matthew Roughan

路由震蕩是有害的。它會降低性能，并造成大規模的更新擾動，從而給路由器帶來額外的負擔。這個問題會在多個提供商之間出現。然而iBGP這種在一個自治域內部使用的路由協議也會有震蕩的問題。

盡管iBGP由一個提供商根據顯而易見的規則制定，但八年多的研究也沒有解決iBGP震蕩的問題。雖然有很多方案被提出來，但它們都缺乏關鍵的特性：要么難于實施，限制了路由的靈活性，要么缺少穩定性的保障。這篇論文中提出了一個非常簡單的與BGP決定策略相似的方法。雖然它很簡單且成本可以忽略不計，但論文采用代數形式證明如何避免iBGP震蕩。論文擴展了提供路由靈活性的方法，比如遵循MED屬性，而不犧牲網絡穩定性。

PLUG：能在高速路由器上快速部署新協議的查找模塊

作者：Lorenzo De Car li, Yi Pan, Amit Kumar, Cristian Estan,Karthikeyan Sankaralingam

數據鏈路和網絡層的新協議不斷地被提出以解決現有協議在可擴展性、安全性和可管理性上的不足。高速路由器和交換機為了實現這些協議，傳統上都依賴于高速的ASIC芯片，因為它的芯片面積小，功耗低。然而由于這種不靈活的定制化硬件，部署新的協議必需依靠設備升級。盡管新的路由器支持靈活的網絡處理器做數據平面處理，但由于功耗和面積的約束，轉發表中的查找依然需要定制化的查找模塊實現。因此大多數協議的部署仍然需要設備升級。

為了加快新協議的部署速度，作者提出了靈活的查找模塊PLUG（流水化查找網絡）。可以實現一致性而不失去效率，因為各種定制化查找模塊有相同的基礎功能：內存占用的面積，簡單的處理，以及由數據結構決定的嚴格的訪問方式。

在基于數據流的編程模塊上，為PLUG實現了IPv4，Ethernet，Ehane和SEATTLE，并把它映射到由陣列組成的PLUG硬件上。PLUG的吞吐率，功耗和延遲都與那些專業的查找模塊接近。

網絡管理

在運營網絡中的端到端業務類別策略

作者：Yu-Wei Eric Sung, Carsten Lund, Mark Lyn, Sanjay Rao Subhabrata Sen

業務和經濟方面的考慮促使今天的企業級VPN（虛擬專用網絡）中過度地使用服務區分。結果是業務類別（CoS）設計基于事先約定的應用程序優先級，帶寬可用率，以及成本因素加入復雜的策略決斷。

這些內在的復雜的高級策略通過低層的路由配置來實現。這個配置過程是乏味而且容易出錯的，因為CoS配置本身、實例化策略的多個路由器的配置，以及復雜的準入列表（ACLS）都是錯綜復雜的。

作者的貢獻包括：第一，用精確的方法根據路由器配置文件建立CoS策略模型的標準方法；第二，開發一個實用且高效的工具，能夠對來自多個路由器任意流進程進行CoS處理；第三，利用150個不同企業VPN的路由配置數據剖面，驗證了相關的工作，比如錯誤診斷、審計和網絡范圍的CoS設計虛擬化。

這是在CoS配置的建模與分析方面的第一次努力。

大規模IPTV網絡中的自動性能診斷

作者：Ajay Mahimkar, Zihui Ge, Aman Shaikh, Jia Wang, Jennifer Yates, Yin Zhang, Qi Zhao

IPTV日益普及，并給住宅廣播用戶提供商業服務。與傳統的ISP網絡相比，IPTV分發網絡（1）一般采用分層的而不是網狀的結構；（2）對穩定性和性能提出了更嚴格的要求；（3）擁有不同的發布協議（大量使用IP組播）和流量模式；（4）在管理上百萬網絡元素上面臨更嚴峻的可擴展性的挑戰。這些特點給IPTV網絡和服務的高效管理帶來了巨大的挑戰。

這篇論文集中討論了在北美的一個最大的IPTV網絡上描述和解決性能問題。研究者從很多源那里取得了大量測量數據，包括設備使用和錯誤日志，用戶活動日志，視頻質量告警，以及用戶投訴問題。并開發了一個新的診斷工具叫做Giza，專門針對大規模和分層的IPTV網絡結構進行了定制。

Giza采用多精細度的數據分析，以快速地在IPTV分布體系結構中檢測和定位存在嚴重性能問題的地區。Giza多種統計的數據挖掘技術，可以尋找問題并診斷它們的根本原因。

利用實際運行數據，證明了Giza在檢測重要性能問題以及鑒定優越的依賴性上的正確性。