[論文レビュー] Forwarding Tables Verification through Representative Header Sets

Yacine Boufkhad, Ricardo De La Paz+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

Software System Performance and Reliability参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、SDNにおける転送テーブル検証のための多項式時間手法を提案する。これは、同じルールに一致する全ヘッダークラスを捉える最小集合である代表ヘッダーセットを計算することで実現される。弱完成と効率的な集合演算を活用することで、ループおよびブラックホールの検出が扱いやすく、証明ラベルスキームによる正しさの保証も可能となり、NP困難な代替手法に比べ顕著な改善が得られる。

ABSTRACT

Forwarding table verification consists in checking the distributed data-structure resulting from the forwarding tables of a network. A classical concern is the detection of loops. We study this problem in the context of software-defined networking (SDN) where forwarding rules can be arbitrary bitmasks (generalizing prefix matching) and where tables are updated by a centralized controller. Basic verification problems such as loop detection are NP-hard and most previous work solves them with heuristics or SAT solvers. We follow a different approach based on computing a representation of the header classes, i.e. the sets of headers that match the same rules. This representation consists in a collection of representative header sets, at least one for each class, and can be computed centrally in time which is polynomial in the number of classes. Classical verification tasks can then be trivially solved by checking each representative header set. In general, the number of header classes can increase exponentially with header length, but it remains polynomial in the number of rules in the practical case where rules are constituted with predefined fields where exact, prefix matching or range matching is applied in each field (e.g., IP/MAC addresses, TCP/UDP ports). We propose general techniques that work in polynomial time as long as the number of classes of headers is polynomial and that do not make specific assumptions about the structure of the sets associated to rules. The efficiency of our method rely on the fact that the data-structure representing rules allows efficient computation of intersection, cardinal and inclusion. Finally, we propose an algorithm to maintain such representation in presence of updates (i.e., rule insert/update/removal). We also provide a local distributed algorithm for checking the absence of black-holes and a proof labeling scheme for locally checking the absence of loops.

研究の動機と目的

• 任意のビットマスクと複雑なルール相互作用により、ヘッダースペースの全検査が非現実的になるSDNにおける転送テーブル検証のNP困難性に対処すること。
• 全ヘッダースキャンを避けることで、同じルール一致を引き起こすヘッダーの同値類に焦点を当てることで、スケーラブルな検証フレームワークを構築すること。
• ループの自由性やブラックホールの不在といった重要なネットワーク特性の、効率的で集中型および分散型の検証を、ヘッダークラスの代表を用いて可能にすること。
• 強い完成やSATベースの手法と比較して、冗長性を低減する弱完成による、ルール動作の最小で保守可能な表現を提供すること。

提案手法

• 弱完成を用いて、すべてのヘッダークラスが少なくとも1つの集合によって代表されるような、最小の代表ヘッダーセット集合を計算する。
• ルールで定義されたヘッダーセットに対する効率的な集合演算（積集合、包含関係、基数チェック）を用い、代表集合の計算と維持を実行する。
• ヘッダークラスの数が多項式的であるものと仮定した場合、中心集約型アルゴリズムにより、多項式時間で代表ヘッダーセットを計算する。
• ルールの挿入、更新、削除に対して、代表集合集合を維持するためのインクリメンタルアップデートアルゴリズムを導入する。
• 各ノードでのヘッダーセット動作のチェックにより、ブラックホールの不在を検証するためのローカル分散型アルゴリズムを採用する。
• 距離ラベルに基づく証明ラベルスキームを提案し、MORE-SPECIFIC仮定（ルールの具体性が増加する）の下で、効率的なループ検出を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘッダー同値類を、SDNにおける転送テーブル検証を多項式時間で可能にする十分な効率で表現できるか？
• RQ2 動的ルール変更下で、ヘッダークラスの最小で保守可能な表現を計算および更新する方法は何か？
• RQ3 固定フィールドにおけるプレフィックスまたは範囲マッチングを用いるルールにおいて、実際にはヘッダークラスの数が多項式的のままであるか？
• RQ4 どのような条件下で、ローカルチェックとラベリングスキームを用いて、ループおよびブラックホール検出を効率的に検証できるか？

主な発見

• プレフィックスまたは範囲マッチングを用いるd個の固定フィールドでn個のルールを使用する場合、ヘッダークラスの数は多項式的（O(n^d)）に保たれ、実用的に検証が可能になる。
• 全ヘッダーではなく代表ヘッダーセットに焦点を当てることで、検証の複雑さをNP困難から多項式時間に低減する。
• 弱完成は、ループおよびブラックホールの性質検証に十分な、最小のヘッダークラス表現を提供する。
• 代表ヘッダーセット集合に対するインクリメンタルアップデートが可能であり、動的ネットワーク構成の検証を可能にする。
• MORE-SPECIFIC仮定の下では、ベルマンフォード方式の距離ラベリングを用いた完全分散型のループ自由性検証が実現可能になる。
• 全ヘッダースペース探索を回避し、ルール表現の冗長性を低減することで、SATソルバーやヒューリスティクスを凌駆する性能を発揮する。