本篇文章由布朗大學和微軟的研究者合作完成。在本篇中，他們提出了一個基于靜態分類的系統，用來預測一個流進入廣域網（WAN）時會通過的對等鏈路（peering link）——TIPSY。

背景

在實際中，大型云和內容提供商通常會使用對等鏈路連接廣域網和其他網絡。這些運營商必須要時刻注意對等鏈路中斷，提供充足的流量速率來避免擁塞（congestion）。目前來說，網絡管理員很難通過BGP提供的方法控制流量進入網絡時通過的路徑，因為例如MED和ASpath屬性都是粗粒度和啟發式的，往往會被AS給忽略。其中在WAN中緩解擁塞的一種方式是有選擇地撤銷對鄰居的路由宣告來使得流量能夠被重新分配到具有空閑capacity的路由器。

設計

但是，盲目地撤銷路由宣告有可能會擴大擁塞的范圍，因此在本文中，作者使用TIPSY來預測給定流量最有可能經過的對等鏈路。在設計算法時，作者的目標是高準確度，低代價和高推斷速度。在模型訓練的過程中，作者首先通過那些具有更加具體特征的模型來訓練，這些模型往往會被記錄得更細節，也就是說模型中記錄的具體的流對于未來的分配更有指導意義；在此之后，通過遷移學習從具有較少特征的模型上進行學習。這些模型的參考價值往往是對于一個流，如果它與另一個流相似，那么對它的操作也許會與對另一個流的操作相似。 整個執行過程是擁塞緩解系統（congestion mitigation system）周期性地尋找擁塞事件，當它尋找到相應事件之后，它會向TIPSY傳遞可能撤銷的通告候選者（candidates）和可能會被影響到的一組流。在此之后TIPSY會告知會被影響到的MIN、MAX、LIKELY peering flow，之后系統基于這些信息決定是否進行路由通告撤銷。

性能評估

本文將TIPSY部署至Azure WAN后，證明了當在進行了路由通告撤銷后，TIPSY預測3條會接收到最多流量的對等鏈路的準確率不低于76%。與此同時，TIPSY可以被用來分析單個對等路由、單個路由器或單個站點的中斷風險，或者通過de-peering來降低那些使用量較小的peer的開銷。

個人觀點

本文創新性地將網絡路由決策與深度學習相結合，對廣域網的路由撤銷提供了一個非常有趣的解決方案。但是我想要知道在進行路由撤銷時，TIPSY是否能夠支持較小粒度的撤銷。例如對于給定的/10的網絡，能否將撤銷范圍減小至/24甚至更小，這樣較小粒度的撤銷范圍個人感覺對整體網絡的變動不會特別大，也能盡可能保證網絡的穩定性。

Network Entitlement: Contract-based Network Sharing with Agility and SLOGuarantees

Satyajeet Singh Ahuja, Vinayak Dangui, Kirtesh Patil, Manikandan Somasundaram, Varun Gupta, Mario Sanchez, Guanqing Yan, Max Noormohammadpour, Alaleh Razmjoo, Grace Smith, Hao Zhong, Abhinav Triguna, Soshant Bali, Yuxiang Xiang, Yilun Chen, Prabhakaran Ganesan, Mikel Jimenez Fernandez, Petr Lapukhov (Meta Platforms, Inc.), Guyue Liu (New York University Shanghai), Ying Zhang (Meta Platforms, Inc.)

背景

這篇文章由Meta研究發表。本文介紹了Meta為了應對數據量爆炸增長，共享網絡會導致流互相影響，容量不足、行為不端的服務增多等問題，提出的生產型廣域網(WAN)的授權解決方案。其中，在Meta的服務對象中，存在不同的QoS等級以及不同的流量模式。同時，行為不當的服務導致中斷服務的網絡需求增長速度快得多，大約比我們的網絡建設能力快30\%，而網絡建設能力從根本上受到日益稀缺的光纖資源的限制。由于以上問題的出現，需要一種有效規劃、管理和運營共享網絡資源的新解決方案。

設計

框架包括兩個關鍵部分: (1)一個網絡授權系統，該系統建立一個敏捷契約來同時實現網絡效率和長期的SLO保證;(2)一個在生產流量上執行合約的，大規模分布式實時執行系統。 授權合同(Entitlement Contract):授權合同是網絡團隊與服務團隊各網絡產品組(network Product Group，簡稱NPG)之間達成的協議。授權包括以下四個步驟。 預測服務需求，主要包含兩個部分，有機變化（和時間相關的變化）和無機變化（除有機變化外的其他變化），系統主要對這兩部分進行預測。 使用基于軟管的合同表示，關鍵思想是將給定軟管分成兩個或多個分段軟管，每個分段覆蓋部分目標區域的子集。 合同批準，包含兩個批準過程，實現長期SLO保證，以及實行強制的優先級，其實現過程如下圖

最后對當前期間的已批準合同需要在生產流量上強制執行。 其強制執行通過實現分布式的帶寬管理器系統完成，如下圖所示。在分布式系統中，我們的終端主機只將數據包分類并標記為不同的類，即合格或不合格，并將最終的決定留給硬件交換機，這個操作簡化了終端代理，因為它只標記流量而不是塑造流量，所需的資源要少得多。

其中執行代理由一個用戶空間組件和一個內核組件組成，如下圖所示。用戶空間組件負責查詢集中式合同數據庫并監控流量率，并標記不合格流量。內核組件將相應操作應用于流量上。我們使用伯克利包過濾器（BPF）程序來完成。所有操作被編程在BPF映射中，BPF程序查詢在出口期間這些映射，并將相應的動作應用于流上

實驗評估

文章每隔幾個月對生產現場流量進行一次演練測試，以確保運行時強制系統的正確性。其選擇了最大服務之一的Coldstorage作為測試服務。其收集了網絡級和應用程序級統計數據。網絡級統計數據包括數據包丟失、流量速率、往返時間（RTT）和TCP統計數據等。應用程序級統計數據包括讀取延遲、寫入延遲和塊錯誤。結果如下圖。可以看出該系統能夠在高效利用網絡的情況下，確保合格流量的性能。在應用表現上，讀延遲小，寫延遲大。

個人觀點

我認為這篇文章要點在于使用了網絡授權系統來同時實現網絡效率和長期的SLO保證。由于Meta公司具有大量的數據量和應用需求，它能夠根據實際用戶的需求進行詳細的系統設計和優化。使用分段軟管的方式增強了整個系統的靈活度。實驗方面也在實際的場景中運行，考慮維度較齊全。同時，文章最后也根據數據發現提出了一些相關領域的一些問題，給其他科研者進行參考。我個人比較好奇在于這樣的協議在其他的大型數據中心網絡中，是否也能達到好的效果，也就是這個算法設計的適用性如何。

SDN in the Stratosphere: Loon's Aerospace Mesh Network

Frank Uyeda, Marc Alvidrez, Erik Kline, Bryce Petrini, Brian Barritt, David Mandle, Aswin Chandy Alexander (Loon LLC)

背景

本文主要介紹了在三大洲使用Loon網絡的三年運營經驗。 谷歌于2011年成立Loon項目，目的在于為世界上未被網絡連接服務的地區提供連接，其首次部署的服務目標是最大限度地提高在肯尼亞39334平方公里農村地區的4G LTE數據覆蓋率。 由于部署成本高，收入潛力有限，傳統的運營商幾乎沒有動力為邊遠地區的低密度人群提供網絡服務。由于在這些地區部署地面LTE蜂窩塔十分昂貴，Loon項目通過在漂浮于距離地面15-18公里的氣球上部署扇形天線和基站，為沒有辦法進行網絡連接的人群帶來負擔得起的網絡連接。

設計

項目中Loon面臨著氣球的運動和位置，可用電源，無線電收發機性能，以及協調網絡結點等挑戰。為了應對上述挑戰，Loon開發了一個名為“Minkowski”的時空SDN控制器，負責集中規劃和啟動回程網絡。除了路由等其他傳統SDN功能外，TS-SDN還負責確定無線電資源分配和無線鏈路選擇。TS-SDN的核心是能夠模擬物理世界的三維幾何結構和射頻傳播，從而預測節點移動和大氣條件隨著時間的變化。其在Google數據中心運行，通過控制數據平面接口（CDPI）向網絡節點發送更新和計劃，以此來確定網絡。具體的邏輯數據流如下圖。

由下圖可以看出，鏈路重新配置是有風險的，因為它們經常失敗，恢復成本很高。Loon的經驗表明，將物理世界的模型納入TS-SDN的邏輯網絡規劃，與嚴格的反應式方法相比，在5分鐘內恢復的路線的平均恢復時間減少了37.8%。 文章偏向于選擇高效用鏈路，并通過偏向于保持已建立鏈路的拓撲來降低變化率。同時，文章提出，MANET路由協議在適應拓撲變化方面非常有效，考慮到中斷傾向和潛在的長恢復時間，建議網絡工程師考慮將預測方法納入NTN協調。

為了回程數據，Loon采用了混合網絡控制平面來平衡性能和可靠性，同時組織了一個移動的點對點無線鏈路網狀網絡，將氣球相互連接并連接到地面基礎設施。 混合網絡控制平面： TS-SDN控制器使用三個控制平面的層次結構配置氣球路由器，如下圖。

每個氣球控制平面層的能力都比前一層來得高，命令延遲從幾分鐘下降到幾毫秒。然而，隨著能力的提高，可靠性下降。 氣球0層：Satcom。為了將斷開的氣球引導到網絡中，最底層的控制平面使用了兩個商業衛星網絡。TS-SDN在計算了未來一段時間的拓撲后，將聯系衛星消息中繼服務器，并傳遞一個氣球節點與另一氣球或地面站建立連接所需的最小信息量。 氣球層1：MANET。一旦建立了鏈路層連接，Loon就使用基于AODV的協議batman-adv來傳遞控制平面消息。自組織路由域從地面站延伸到氣球，并在連接的氣球之間延伸。 氣球層2：SDN。網絡體系結構和TS-SDN使得氣球中的站點能夠對帶內數據平面進行編程，以響應來自節點管理和LTE控制應用的請求。 網狀網絡： 使用移動的長距離定向點對點天線網狀網絡帶，幾乎所有元素都會隨時間變化，這些元素必須被顯式建模或檢測。系統需要在其觀測值與建模條件相矛盾時進行檢測和調整。面對短時間尺度的變化，Loon在TS-SDN中模擬運動，并在未來的特定點執行命令，使其能夠使用預測的指向向量和預期的信號強度。

難點

最后，文章提出對Loon的可解釋性依舊存在困難的地方，由于對時間和空間動態過程結合的需要，TS-SDN的使用是必要的，這同時也導致難以對結果進行推理。 有三個主要方面：1）系統的狀態如何？2） 系統是如何達到這種狀態的？3） TS-SDN為什么選擇這種特定的拓撲配置？ 通過建立查看日志，我們可以嘗試回答前面兩個問題。對于第三個問題，雖然求解器有確定性，但它是迭代的，并且依賴于大量異步數據源，它的拓撲解是時間相關的。文章也同樣提出了一些解決該問題的觀察和建議。可視化系統的建立有助于了解網絡的當前狀態，但需要改進求解器，以將單個命令與計劃的拓撲相關聯。

個人觀點

Loon項目是一個關注邊遠地區的大型項目，我相信這個項目的建立一定給該地區的人群帶來了巨大的網絡上的變化，使用科技帶來非常實際有利的影響。 在具體實現方面，我認為通過使用氣球部署基站，避免邊遠地區地理限制的問題是一個創新點。并為了解決移動基站的問題，提出建立移動的網格網絡。同時在TS-SDN控制器，引入物理模型進行建模和預測，也是與實際問題適配的有效解決方案。文章最后，也對當前項目的不足提出了想法。由于個人水平有限，對整個系統還未有更深入的理解。該項目在未來的優化和使用情況也令人十分關注。

Software-defined Network Assimilation:Bridging the Last Mile Towards CentralizedNetwork Configuration Management with NAssim

Huangxun Chen (Huawei Theory Lab), Yukai Miao (University of New South Wales), Li Chen (Zhongguancun Laboratory), Haifeng Sun (Beijing University of Posts and Telecommunications), Hong Xu (Chinese University of Hong Kong), Libin Liu (Shandong Computer Science Center), Gong Zhang (Huawei Theory Lab), Wei Wang (HKUST (Guangzhou)

本文由華為理論實驗室和中關村實驗室以及北京郵電大學、香港中文大學等多所高效合作完成。文章提出了一種智能高效的將異構網絡設備（例如，遺留設備和來自新供應商的設備）引入現有集中控制SDN網絡的架構NAssim。

背景

將異構網絡設備引入現有集中控制的SDN網絡的的過程定義為軟件定義的網絡同化(SNA)。SNA對網絡操作(NetOps)團隊來說是一個痛苦的問題，因為需要大量的專家經驗來彌合新設備的配置模型和SDN控制器中的統一數據模型之間的差距。目前的SNA方法需要大量的人力努力，而且容易出錯。因此，作者提出了NAssim，用于幫助NetOps加速吸收一個新設備到SDN網絡的過程。

挑戰

1）人工配置的差異性：設備的用戶手冊是提取其配置模型的最可靠的來源，特別是對于只有命令行語句的遺留設備。然而，不同的供應商會對自家的用戶手冊進行組織和格式化。因此，我們需要一個統一的解析框架來從手冊中提取配置模型。 2）配置錯誤和歧義：用戶手冊是唯一學習來源，但仍然會包含許多錯誤和歧義，即設備實際行為可能手冊中沒有完全說明，因此僅從手冊進行解析是不夠的。為了驗證和正確所解析的模型，我們必須尋找一種有效的方法來識別潛在錯誤和修正歧義。（這一點Hoyan也提到過，修正方法類似，通過實際部署結果來調整學習模型） 3）配置模型之間的異構性：不同供應商的配置數據模型是不同的。將它們映射到UDM是一項具有挑戰性的工作，而且，我們認為，必須涉及使用自然語言處理(NLP)技術來從用戶手冊中的CLI命令的自然語言描述中學習。

設計

NAssim的架構包含一個統一的解析器框架：來解析不同的設備用戶手冊到初步配置模型；一個嚴格的驗證器：驗證模型的正確性通過正式的語法分析，模型層次驗證和經驗數據驗證；以及一個基于深度學習的映射算法：使用最先進的神經語言處理技術來產生經過驗證的配置模型和SDN控制器之間的人類可理解的推薦映射。宏觀上來看，NAssim通過直接從設備手冊中學習配置規則，從而生成SDN控制器和人類專家都能理解的數據模型，從而將網絡管理者從繁瑣的程序操作任務中解放出來。

討論

NAssim的設計是由于網絡配置管理中的實際挑戰。大多數企業級網絡具有多供應商的性質，在目前的NetOps實踐中，通常在上層網絡功能（北向）和異構網絡設備（南向）之間設有一個軟件定義的控制器。SDN控制器的南下方向使異構設備對北上方向透明。例如，如果一個網絡功能需要更改BGP協議的AS number，控制器應該執行統一的正確的配置命令將更改應用于目標設備上，即修改行為希望是供應商無關的。而這需要大量學習多供應商的設備配置模型到中央控制器中。NAssim也是試圖加速和高效化這一過程。 從更廣泛的角度來看，網絡同化背后的基本研究問題是識別網絡設備之間的語義等價性。NAssim是在軟件定義的網絡集中式配置管理上下文中解決這個問題的初步努力。簡而言之，NAssim的目標是識別在控制器中的多供應商設備模型和統一設備模型之間具有等效配置效應的命令和參數。此外，在傳統路由器/交換機網絡之外的其他網絡場景中，處理異構化統一網絡范式也是一大趨勢和具有研究意義的方向，即物聯網網絡中的語義互通性。

個人觀點

網絡同化是大規模網絡管理中難以避免的一大難題，該文章針對此問題在集中式控制場景下提出了一套高效網絡管理范式，有效解決了異構設備的融合困難。現階段各廠商在設備功能上對網絡協議的實現只需遵循語義一致性，而其使用的數據模型結構上存在很大差異，這樣的異構設備間的語義轉換極大程度依賴于人的理解，且耗時耗力。所以該文章不僅在智能化異構網絡管理上利用人工智能模型有效減小了管理難度，還著重討論了網絡統一化范式的趨勢，這個一個有意義且能有效提高網絡智能管理水平的方向，這不僅對網絡同化有益，更對于網絡驗證，診斷和修復問題都有助益。

A Case for Stateless Mobile Core Network Functions in Space

Yuanjie Li, Hewu Li, Wei Liu, Lixin Liu, Yimei Chen, Jianping Wu, Qian Wu, Jun Liu, Zeqi Lai (Tsinghua University)

本篇文章由清華大學網絡科學與網絡空間研究院和北京信息科學與技術國家研究中心的研究者合作完成。在本篇中，作者討論了推動移動核心網絡功能進入近地軌道(LEO)超級衛星星座( satellite mega-constellations)的價值和通過無狀態移動核心網絡(stateless mobile core network)實現這個目標的方法。

背景

雖然移動網絡的受眾已經十分廣泛，但它們在偏遠地區和特殊地域的覆蓋面還是很窄，使用者也很少，部署這些網絡的地面基礎設施也容易遭到自然和人為因素的破壞。因此將移動網絡推向太空似乎是一個有可能的解決方案，目前運營商和電信業也開始嘗試使用移動衛星和高層次功能(high-layer)的衛星。即便如此，將移動核心功能推向太空仍有爭議，因為目前的5G網絡功能主要是為領土用途設計的。研究表明，與固定的地面基礎設施不同，這些數據業務無法在太空中良好運行，低軌道衛星在不可靠、不可信的外層空間的全球范圍內快速移動，這對如今的有狀態的移動核心網絡功能造成了挑戰，面臨著空間-地面不對稱性的瓶頸、觸發快速移動的服務區，從而耗盡靜態UE的信令成本、不可靠外太空帶來的敏感狀態的泄漏和故障。

設計

作者認為，上述問題都根源于5G的有狀態移動核心網絡功能設計。因此，他們提出了一個無狀態的、去中心化的、輕量級移動核心網絡功能。他們提出了SpaceCore這樣一個解決方案，保留用于流量交付、移動性、QoS的運營商級別的服務和解決了功能狀態解耦后的計費和安全問題。 SpaceCore由遠程地面家園( remote terrestrial home)、作為分散核心的低地軌道衛星和UE組成。遠程地面家園是一個傳統的移動核心，運行所有的控制功能。它將空間基礎設施與傳統的地面移動網絡無縫整合在一起;允許運營商在推送核心功能時保留其完全控制權以及作為向UE推送會話狀態時的信任源。 分散的聯網衛星將數據功能和網關從遠程地面站推送至邊緣，從而消除了空間-地面不對稱的瓶頸。衛星可以通過衛星間鏈路（ISL）轉發數據和信令流量。SpaceCore將會話狀態與衛星的數據功能解耦。衛星在會話建立或移動事件中直接從本地UE中獲取狀態。

性能評估

使用公開的可操作5G和衛星數據集(operational 5G and satellites datasets)在可擴展性、性能和對攻擊的復原性上對SpaceCore和四個衛星解決方案進行了比較評估。結果顯示SpaceCore相比與其他解決方案對信令成本降低了一至兩個數量級，通過轉移到地理空間服務區來減少狀態遷移，并通過設備即存儲庫( device-as-the-repository)來實現狀態的本地化管理，以減少故障/攻擊。

個人觀點

衛星網絡也是網絡領域的一個熱門話題，因為我認為這不僅關系到每個國家人民的生活質量，也關系到每個國家的軍事水平，甚至對全世界的發展都能夠產生深遠的影響。這篇文章提出的一個背景其實就是目前5G的盛行。之前5G對我來講也許僅僅是移動設備上傳下載速度的顯著增強，在了解了這篇文章的工作之后，才明白對于太空網絡領域5G也有著十分重要的作用。但就目前來說，文章中提到5G雖然也開始拓展對于衛星的支持，但其架構由于“向后兼容”的要求不會發生顯著的改變。因此，對于低地軌道超大型衛星的發展來說，5G及以后的本地無狀態架構將是十分必要的。 審核編輯：郭婷