[论文解读] Contra: A Programmable System for Performance-aware Routing

Kuo-Feng Hsu, Ryan Beckett+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2019

Software-Defined Networks and 5G参考文献 32被引用 32

一句话总结

Contra 是一个可编程系统，将高层次的性能感知路由策略编译成每个交换机的 P4 程序，从而在任意拓扑上实现分布式、符合策略的路由，并具备快速适应能力。

ABSTRACT

We present Contra, a system for performance-aware routing that can adapt to traffic changes at hardware speeds. While existing work has developed point solutions for performance-aware routing on a fixed topology (e.g., a Fattree) with a fixed routing policy (e.g., use least utilized paths), Contra can be configured to operate seamlessly over any network topology and a wide variety of sophisticated routing policies. Users of Contra write network-wide policies that rank network paths given their current performance. A compiler then analyzes such policies in conjunction with the network topology and decomposes them into switch-local P4 programs, which collectively implement a new, specialized distance-vector protocol. This protocol generates compact probes that traverse the network, gathering path metrics to optimize for the user policy dynamically. Switches respond to changing network conditions at hardware speeds by routing flowlets along the best policy-compliant paths. Our experiments show that Contra scales to large networks, and that in terms of flow completion times, it is competitive with hand-crafted systems that have been customized for specific topologies and policies.

研究动机与目标

• 提供一个通用的、对拓扑无关的性能感知路由框架。
• 在没有集中控制的情况下实现分布式数据平面路由。
• 确保符合策略、无环且稳定的路由，能够快速适应度量变化。
• 提供一个将高层策略翻译为每个设备 P4 程序的实用编译器。
• 展示与针对特定拓扑和策略定制的系统相比的可扩展性和竞争力。

提出的方法

• 引入一种策略语言，使用正则表达式和动态度量对网络路径进行排序。
• 将策略分解为等单调子策略，并使用乘积图进行分析以确保正确性。
• 合成实现专用、具备策略感知的距离向量协议的设备级 P4 程序。
• 使用承载策略状态的周期性探针来收集路径度量并更新路由决策。
• 采用策略感知的流分组切换和标记以防止环路并保持策略一致性。
• 提供可处理稳定与变化度量的编译技术，包括等单调性分析与探针管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在统一的可编程框架下，支持在任意网络拓扑上进行性能感知路由？
• RQ2 如何表达并执行策略，以确保数据平面中的策略符合性、无环路路由？
• RQ3 将高层策略转化为正确、高效的 P4 实现所需的编译技术有哪些？
• RQ4 相较于针对特定拓扑和策略定制的系统，Contra 在可扩展性和流完成时间方面的表现如何？
• RQ5 在实践中，需要哪些机制来处理动态度量并避免路由震荡或环路？

主要发现

• Contra 能扩展到大规模网络，并在相对于针对特定拓扑和策略定制的系统的流完成时间方面实现竞争力。
• 该系统通过支持广泛的策略和任意拓扑，证明了通用性，而非固定拓扑假设。
• 探针、策略标记和流切换实现了在可编程数据平面中快速、符合策略的决策。
• 基于乘积图和策略自动机的编译器将非等单调策略分解为等单调子策略，以确保度量的正确传播。
• 原型表明 Contra 可以在当今可编程数据平面上实现，并且在没有中心协调的情况下提供分布式、响应式路由。