张恒华

主题

Deterministic and Probabilistic P4-Enabled Lightweight In-Band Network Telemetry ​

发表期刊：IEEE Transactions on Network and Service Management
发表时间：03 August 2023
DOI：10.1109/TNSM.2023.3301839

1 研究背景与动机 ​

现代网络需要高精度监控以满足服务质量（QoS）需求。然而，传统 INT 框架（如 P4-INT）虽然能实时记录每跳信息（如 switch ID、队列长度、端口利用率），但会带来线性增长的传输开销，尤其在多跳路径和多指标采集场景中更为明显。这会影响有效载荷（payload）比例、降低吞吐率并延长流完成时间（FCT）。

Example of path tracing with INT.图 2. 使用 INT 进行路径跟踪的示例

2 核心贡献 ​

作者提出两种轻量级 INT 方法：

  • DLINT（Deterministic Lightweight INT）：
    • 采用确定性每流聚合（per-flow aggregation, PFA）。
    • 将遥测指标分散在流的多个数据包中，每个包携带一跳信息，通过包序组合完整路径。
    • 使用 P4 可编程交换机中的状态管理 实现无控制器的协作，并借助 布隆过滤器（Bloom Filter） 压缩状态表。
  • PLINT（Probabilistic Lightweight INT）：
    • 利用 水库抽样（reservoir sampling） 的概率方式，每个交换机以相等概率插入自身 ID。
    • 无需交换机间协作，实现更低复杂度。
    • 头部结构中加入 TTL 信息用于辅助路径重建。

3 技术设计 ​

3.1 DLINT 的详细机制 ​

目标：

  • 精确、连续地获取路径信息。
  • 在流的生命周期中重复进行路径记录以检测路径变化。

核心机制：

  • 交换机维护 3 种遥测状态：
    1. Awaiting Init：等待初始化信号。
    2. Ready to Insert ID：准备插入 ID。
    3. Inserted ID：已插入 ID，等待重置。

流程示意（5 跳网络）：

  1. 第一个数据包携带 INIT 信号，逐跳激活 Ready to Insert ID。
  2. 接下来每个包轮流携带一个交换机的 ID（按状态插入），直至完整路径形成。
  3. 第 5 个包后，INT sink 发送 RESET 信号（嵌入 TCP ACK），沿反向路径重置各交换机状态。
  4. 重复上述过程，实现持续路径监控。

Sequence of steps taken by DLINT for path tracing across five switches.图 4. DLINT 跨五台交换机进行路径跟踪的步骤

布隆过滤器用途：

  • 压缩每个交换机上的状态映射表，以 2 位状态码表示每个流。
  • 避免注册器资源耗尽。

支持多指标：

  • 可根据 INT 控制器的配置，扩展头部插槽数，携带多个遥测值。

3.2 PLINT 的详细机制 ​

核心思想：

  • 每个交换机以概率方式插入 ID，避免协调开销。

水库抽样过程：

  • 第一个交换机总是插入自身 ID；
  • 第 i 跳交换机以 1/i 概率替换包中的 ID；
  • 使所有节点 ID 有相同概率保留在包中。

Telemetry data delivery with PLINT.图 7. 使用 PLINT 进行遥测数据传输

关键字段：

  • initTTL：初始 TTL
  • hopNum：计算当前位置，用于服务器重建路径

PLINT telemetry header.图 6. PLINT 遥测报头

支持多个指标插入：

  • 每个 slot 独立进行水库抽样，可能出现多个 slot 值相同（冗余问题）。

4 实验评估 ​

环境：

  • 使用 BMv2 模拟交换机 + Mininet 拓扑（27 节点）
  • 使用 D-ITG 生成约 400 条流量（Zipf 分布）

4.1 对比指标 ​

  1. 传输开销（Transmission Overhead）
    • DLINT/PLINT：固定开销（例如 1 跳 4 bytes）
    • P4-INT：随跳数和指标数线性增长（例如 5 跳 5 值需 116 bytes）

Transmission overhead of P4-INT, PLINT and DLINT with one and five telemetry values.图 8. P4-INT、PLINT 和 DLINT 具有一个和五个遥测值的传输开销

  1. 路径追踪效率

    • DLINT 整体传递路径数多于 PLINT（尤其布隆过滤器足够大时）
    • BF 碰撞会导致路径信息缺失，但可通过后续包弥补

  2. INT 报头利用率

    • PLINT 利用率高，但因重复 ID 造成信息密度不高

INT header space utilization with a diverse range of telemetry values.图 10. INT 报头利用率

  1. 路径更新检测

    • PLINT 更快检测路径更新（无状态丢失）
    • DLINT 在 BF 冲突下检测率与时效性下降

  2. 与 PINT 对比

    • PLINT 比 PINT 更快检测路径变更（因为携带 hopNum）
    • PINT 不携带 hopNum，无法精确定位更新位置

5 优势与不足对比 ​

特性DLINTPLINT
协调需求有，靠 BF 状态管理无
路径追踪效率高，信息组织良好较低，需要更多包来重构路径
INT 头利用率受 INIT/RESET 影响，字段有浪费高，但存在重复数据
更新检测能力中，受 BF 冲突影响高，响应快
适用场景精确路径追踪、长流量快速检测路径变化、大流量统计

6 结论与未来方向 ​

  • 总结：DLINT 和 PLINT 均能有效降低 INT 的传输负担，并在不同场景下各有优势。
  • 未来工作：将两者部署到真实硬件 P4 设备（如 SmartNIC）中，研究在真实环境中的延迟与性能瓶颈。