在ACM SIGCOMM 2023上，重点实验室共有10篇高水平论文入选。作为计算机网络系统领域历史最为悠久也是最为权威的学术会议，SIGCOMM以其严苛的标准著称，对论文的质量和数量要求极高，要求所录用的论文具有基础性贡献、领导性影响和坚实系统背景。本年度ACM SIGCOMM共有323篇投稿，录用71篇。
据悉，今年北京大学是SIGCOMM创办37届历史上，同年录用论文数量最多的高校单位（共11篇，其中计算机学院10篇、王选计算机研究所1篇），打破了高校的记录（MIT录用10篇）和国内高校的记录（录用6篇）。同时，北大也是SIGCOMM历史上以第一作者单位同年录用论文数量最多的单位（共9篇，其中计算机学院8篇、王选计算机研究所1篇），打破了此前的记录（录用6篇）。
计算机学院本次被SIGCOMM录用的10篇论文，研究成果涵盖了多个领域，包括网络服务迁移规划、弹性异构云覆盖网络、服务器无感知作业调度、微观行为测试工具、移动网络编码多路径视频传输优化方案、窗口机制框架、sketch计数器优化框架、数据平面自适应网络测量方案、LRU缓存替换机制和在网计算应用开发框架等。
以下是论文简要内容介绍：
一. 大规模数据中心中高效安全的网络服务迁移规划
数据中心是云计算的基础设施，其网络服务迁移任务规模大、耗时长，通常涉及数百台交换机和数万条网络连接，并且需要耗时数月的原地物理部署工作。此外，网络服务迁移需要满足复杂多样的效率和安全性限制，进一步加大网络迁移规划的挑战。论文《Klotski: Efficient and Safe Network Migration of Large Production Datacenters》提出了安全高效生成网络服务迁移规划的Klotski系统。该系统应用A*算法和领域特定的优先级智能化求解，并利用数据中心网络局部性和压缩拓扑表示加速求解过程，在满足操作限制的情况下相比已有方法达到了更高的规划效率。该系统已为Meta超过20个地区100余个数据中心提供迁移规划支持。该论文第一作者为计算机学院2021级博士生赵怡浩（导师刘譞哲研究员）和Meta研究员张骁翔，作者包括刘譞哲研究员和金鑫副教授，约翰霍普金斯大学祝航，Meta公司张颖、汪照东、田渊栋、Alex Nikulkov、Joao Ferreira等。
二.面向视频会议场景全球部署的弹性异构云覆盖网络
成本和质量是视频会议服务的关键考量因素。视频会议服务提供商通常在选择合适网络线路来构建其基础设施时面临两难选择：便宜的公网线路会影响视频会议服务质量，然而使用专网线路会产生较大的日常运营成本。针对该问题，论文《XRON: A Hybrid Elastic Cloud Overlay Network for Video Conferencing at Planetary Scale》提出了一套面向视频会议场景全球部署的弹性异构云覆盖网络XRON。XRON综合利用公网线路和专网线路实现了同时兼顾视频会议服务质量和运营成本。此外，XRON能够利用弹性云资源自适应地满足视频会议实时网络需求。目前XRON技术已经规模化部署，大面积覆盖钉钉用户。该论文第一作者为计算机学院2022级博士生吴秉阳（导师金鑫副教授），作者包括金鑫副教授、刘譞哲研究员，阿里巴巴集团钱坤、李波、马云飞、章琦、蒋志刚、赵加雨、蔡德忠和翟恩南等。
三.服务器无感知数据分析的弹性并行调度
服务器无感知计算平台具有细粒度的资源弹性，适合运行并行任务组成的数据分析作业。现有的服务器无感知数据分析调度器的并行度配置策略未能综合考虑服务器无感知特有的优化目标（如单作业完成时间和运行成本），并且不能感知服务器内部和服务器之间不同的通信开销对优化目标的影响。针对此问题，论文《Ditto: Efficient Serverless Analytics with Elastic Parallelism》提出了支持弹性并行调度的Ditto系统。该系统基于作业各阶段的并行时间特征、阶段间数据依赖关系和可用资源分布联合优化作业的并行度配置和阶段间通信，相比传统方法达到了更低的作业完成时间，节省了运行成本。该论文第一作者为2019级本科生金超（导师金鑫副教授），作者包括北京大学金鑫副教授、刘譞哲研究员、黄罡教授、章梓立、向星雨和邹松运等。
四. 针对硬件卸载网络栈的细节测试工具
现代数据中心广泛采用硬件卸载网络栈（比如远程直接内存访问，Remote Direct Memory Access），来满足应用高吞吐量、超低延迟和低 CPU 开销的需求。为了充分利用硬件卸载网络栈的性能，用户需要深入了解它们的行为，尤其是微观行为。尽管在测试软件网络栈方面已经有了很多工作，但硬件网络栈由于其绕过内核(kernel bypass)的特性和高性能，对测试工具提出了独特的挑战。为了测试硬件网络栈的正确性和性能，论文《Understanding the Micro-Behaviors of Hardware Offloaded Network Stacks with Lumina》提出了测试工具 Lumina 。Lumina 利用可编程交换机来注入事件，从而模拟各种网络场景；开发人员可通过其用户友好的接口，开发精确的、可重现的测试。该工作使用 Lumina 测试了来自 NVIDIA 和 Intel 的四种 RDMA 网卡，发现了其中影响网络性能或误导网络操作的数个 bug，并捕获了多个未准确定义的微观行为。该工作中发现的严重 bug 已收到供应商确认并将在未来版本中进行修复。该论文第一作者为约翰霍普金斯大学余卓隆（导师金鑫副教授和Vladimir Braverman教授），第二作者为2020级本科生苏博文（导师金鑫副教授），作者包括金鑫副教授，微软研究院白巍，Google公司 Shachar Raindel和莱斯大学 Vladimir Braverman等。
五、 面向自动驾驶场景的网络编码多路径视频传输优化方案
自动驾驶场景中，除离线分析外，车辆也时常需要将高清视频实时上传至远端服务器，由服务器辅助进行决策分析。现有数据传输方案或无法适应移动互联网中波动剧烈的延迟与丢包率，从而难以保证视频连接的高吞吐率与低时延；或需要使用大量的冗余数据流量，从而难以实际部署。论文《CellFusion: Multipath Vehicle-to-cloud Video Streaming with Network Coding in the Wild》提出软硬件结合的高清视频传输解决方案CellFusion，在同时使用4G/5G网络传输数据的基础上，将网络编码方案嵌入传输层协议，结合视频应用需求检测丢失与超时数据包，并使用网络编码方案高效、低开销地进行数据重传恢复，在保证高吞吐率、低冗余数据开销的情况下显著降低了传输延时。基于真实驾驶环境的实验表明，相比于使用单条路径传输的方案与传统多路径传输方案，该方案可将数据包传输延迟的99%分位数降低71.53%，将视频卡顿率降低66.11%~80.62%，并将冗余数据开销控制在10%以内。该论文第一作者为计算机学院2018级博士生倪蕴哲（导师为许辰人副教授），作者包括北京大学许辰人副教授，阿里巴巴集团郑智隆、 马云飞、 蔡德忠和翟恩南等。
六、面向数据平面网络遥测系统的通用、高效的窗口机制框架
数据平面网络遥测系统通常将网络流划分为多个窗口分别统计各窗口的流级信息，然而受限于可编程交换机的资源限制，现有工作只支持固定窗口大小的滚动窗口。论文《OmniWindow: A General and Efficient Window Mechanism Framework for Network Telemetry》提出了一个通用且高效的窗口机制框架OmniWindow，在数据面将原始窗口拆分为细粒度的子窗口进行测量，在控制面合并子窗口的测量结果，从而实现任意类型、大小的窗口机制。该框架设计子窗口的数据平面内存布局、同步方法以及高速状态收集重置方案，解决了子窗口机制引入的资源开销、一致性和切换开销问题。该框架与1个意图遥测系统和8种sketch遥测算法相结合，相比传统窗口机制提升了14.3%的测量精度。该论文第一作者为计算机学院2021级博士孙海锋同学（导师黄群助理教授），作者包括黄群助理教授、李佳衡、贺锦涛和桂杰等。
七、基于压缩感知的通用、几乎零误差的sketch计数器优化框架
Sketch因在有限空间中实现高精度查询的特性被广泛用于网络测量。随着测量业务流量不断增加、任务趋于多样化，有限的片上内存成为了sketch部署的瓶颈。已有的内存优化方案均有严重的精度丢失或者特定的适用范围，因而难以使用。论文《BitSense: Universal and Nearly Zero-Error Optimization for Sketch Counters with Compressive Sensing》提出了一个针对sketch计数器的几乎零误差的且通用的内存优化框架BitSense。为了实现几乎零误差， BitSense利用计数器值通常向零偏斜的特性，将计数器的高位视为稀疏向量并使用压缩感知技术对其进行压缩与还原；它还带有自动化的参数配置，并且在理论上证明了几乎零误差的性质。为了通用性，BitSense提供了一套编程接口，使用户能像实现普通sketch那样快捷开发内存优化的sketch，并对压缩与还原无感知。BitSense已经与14种现有的测量系统结合。基于Tofino交换机和软件仿真的实验表明BitSense能在引入极小的访存和计算开销下压缩25%-80%的内存而几乎不丢失精度，超越了此前5种代表性的内存优化框架。该论文第一作者为计算机学院2022级博士丁睿同学（导师黄群助理教授），作者包括黄群助理教授、杨仕博和访问学生陈翔等。
八、 面向丢包检测和包累积测量的数据平面自适应网络测量方案
网络测量对于许多网络应用至关重要。在流量测量任务中，主要有两种任务需要处理：1) 包累积测量和 2) 丢包检测。然而，在现有的研究中，同时处理这两种任务的方法很少见。为此，论文《ChameleMon: Shifting Measurement Attention as Network State Changes》设计了测量系统ChameleMon。在兼顾两种任务的同时，ChameleMon更进一步地，通过两个维度的动态性支持测量注意力随着网络状态的变化而转移：1) 动态分配内存资源给这两种任务；2) 动态监测重要的流量。为了实现这一关键设计，ChameleMon利用费马小定理设计了一种灵活的数据结构，即FermatSketch。 FermatSketch具备可分割、可加和可减的特性，从而支持以上两种任务。 在一个Fat-tree拓扑结构的测试平台上部署的ChameleMon原型系统的实验结果显示，ChameleMon能以较低的内存和带宽开销地同时支持这两种任务，并且支持测量注意力的动态转移（在丢包多时倾向丢包检测，在丢包少时倾向包累积测量）。该论文第一作者为计算机学院2021级博士杨凯程同学（导师杨仝副教授），作者包括杨仝副教授、吴钰晗和缪瑞杰等。
九、 面向可编程数据面的LRU缓存替换机制设计与实现
数据面缓存是网络设备，如可编程交换机、智能网卡、DPU等的重要功能。然而，受限于数据面编程模型和内存访问模型，目前的数据面缓存常常采用简单但效率不高的缓存替换策略。因此，《P4LRU: Towards An LRU Cache Entirely in Programmable Data Plane》这篇论文致力于在数据面实现LRU，这是一种近似最优的缓存替换策略。论文分析了为何多种典型的LRU实现无法在当前的可编程数据面部署，并提出了P4LRU，一种专门为流水线模型设计的LRU实现方案。P4LRU将被缓存的键和值分别存储，并利用一个被称为缓存状态的自动机来描述键和值的实时映射关系，从而只需对每个数据执行单次内存访问。P4LRU通过将自动机的状态和转移逻辑编码到整数逻辑运算单元，在受限的数据面编程模型下实现了自动机的存储和实时转移。论文以P4LRU缓存单元为基础，设计了多种网络系统，包括网络地址转换系统、数据库查询加速系统和大规模网络测量系统，并在Tofino可编程交换机上完全实现了这些系统。该论文第一作者为计算机学院2020级博士生赵义凯（导师杨仝副教授），作者包括杨仝副教授、刘文睿和董丰豪等。
十、面向异构数据中心的在网计算应用开发框架
在网计算技术可以有效加速分布式系统的速度并减少其成本。但是，在异构数据中心中存在差异化的设备与应用和多径的网络拓扑，这导致应用开发者难以在不触及已有的网络功能的前提下开发在网计算应用，并有效利用设备资源。《ClickINC: In-network Computing as a Service in Heterogeneous Programmable Data-center Networks》设计了ClickINC框架，支持异构数据中心中的在网计算应用开发。ClickINC为开发者提供高级、模块化编程语言，并将用户程序编译到分布式的异构设备上；在此过程中，ClickINC在全网范围内合理分布程序片段，提升资源利用率；同时，ClickINC支持用户在运行时增量的添加和删除程序。我们开发ClickINC原型，并通过实验证明该系统的可行性、编程友好性、和资源利用高效性。该论文第一作者为清华大学徐文佺，通讯作者为北京大学吴文斐助理教授、清华大学刘斌和上海大学纽约分校刘古月。
SIGCOMM背景介绍：
第37届ACM数据通信专业组年度旗舰会议SIGCOMM 2023（37th Annual Conference of the ACM Special Interest Group on Data Communication）将于9月10日-14日在美国纽约举行。一年一度的ACM SIGCOMM重点关注计算机和数据通信网络领域，涵盖网络架构、设计、实现、运维、分析、度量和仿真等方面。SIGCOMM是计算机网络系统领域最权威的国际顶级学术会议之一，是CCF推荐的A类国际会议，每年吸引大量全球顶级学校和机构的投稿。
