[論文レビュー] Network-wide Configuration Synthesis

Ahmed El-Hassany, Petar Tsankov+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、高レベルの転送要件から自動的に正しいルータ構成を生成する、ネットワーク全体の構成合成のための最初のシステムであるSyNETを提示する。階層的Datalogでルーティングプロトコルをモデル化し、新規のSMTベースの合成アルゴリズムを用いることで、50台を超えるルータを含む現実的なネットワークにおいて、OSPF、BGP、およびスタティックルートの混合ルーティングを効率的に計算する構成を生成できる。

ABSTRACT

Computer networks are hard to manage. Given a set of high-level requirements (e.g., reachability, security), operators have to manually figure out the individual configuration of potentially hundreds of devices running complex distributed protocols so that they, collectively, compute a compatible forwarding state. Not surprisingly, operators often make mistakes which lead to downtimes. To address this problem, we present a novel synthesis approach that automatically computes correct network configurations that comply with the operator's requirements. We capture the behavior of existing routers along with the distributed protocols they run in stratified Datalog. Our key insight is to reduce the problem of finding correct input configurations to the task of synthesizing inputs for a stratified Datalog program. To solve this synthesis task, we introduce a new algorithm that synthesizes inputs for stratified Datalog programs. This algorithm is applicable beyond the domain of networks. We leverage our synthesis algorithm to construct the first network-wide configuration synthesis system, called SyNET, that support multiple interacting routing protocols (OSPF and BGP) and static routes. We show that our system is practical and can infer correct input configurations, in a reasonable amount time, for networks of realistic size (> 50 routers) that forward packets for multiple traffic classes.

研究の動機と目的

• 広範な障害を引き起こす手動のネットワーク構成エラーという重要な課題に取り組む。
• 高レベルの要件から正しいエンドツーエンドのネットワーク構成を自動合成する。
• OSPF、BGP、スタティックルートなどの相互作用する複数のプロトコルを含む、複雑な実世界のネットワークをサポートする。
• プロトコルの意味論と構成合成を分離する汎用フレームワークを提供する。
• 50台以上のルータを含むネットワークにまでスケーリング可能でありながら、正しさと互換性を保証する。

提案手法

• 安定した転送状態を固定点として表現する階層的Datalogを用いて、分散プロトコルおよびそれらの相互作用を含むネットワーク動作をモデル化する。
• ネットワーク全体の構成合成問題を、階層的Datalogプログラムの入力合成問題に還元する。
• Datalogプログラムを段階に分解し、市販のSMTソルバを用いて段階的に入力を合成する。
• SMTソルブを活用して構成空間を探索し、ユーザー定義の要件を満たす固定点を生成する入力を特定する。
• 再帰的ルールと段階的ネガーションをサポートし、BGPパス選択やOSPF最短パス計算などの複雑なプロトコル動作を表現する。
• 合成パイプラインをSyNETに統合し、異種ルーティング環境向けのエンドツーエンド構成を生成する完全なシステムを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 汎用的な合成アプローチは、高レベルの転送要件から正しいネットワーク全体の構成を自動で生成できるか？
• RQ2 複数のルーティングプロトコル（例：OSPFとBGP）の相互作用を、統一されたフレームワーク内で形式的に捉え、合成できるか？
• RQ3 実際のネットワーク規模（例：50台以上のルータ）にまでスケーリング可能な構成合成は現実的か？
• RQ4 段階的Datalogは、依存関係を伴う複雑な非単調なルーティング動作を効果的にモデル化できるか？
• RQ5 提案されたSMTベースの合成アルゴリズムは、従来のシンボリック実行やカウンターアイテレーションガイドドアプローチに比べて、どのように優れているか？

主な発見

• SyNETは、50台を超えるルータを含むネットワークに対し、正しい構成を合成でき、実用的なスケーラビリティを示した。
• システムはOSPF、BGP、スタティックルートの混合構成をサポートし、ロードバランシングやポリシー指向の転送を可能にした。
• 合成アルゴリズムは再帰的Datalogルールと段階的ネガーションを処理でき、実際のルーティングプロトコルをモデル化する上で不可欠な要素をカバーした。
• 手動でのチューニングを排除し、人的誤りを最小限に抑えることで、構成の負担を大幅に軽減した。
• Propane や Genesis といった先行ツールに比べ、複数のプロトコルを同時にサポートし、自動的に正しい構成を生成できる点で優れた性能を示した。
• SMTソルバの使用により、膨大な構成空間を効率的に探索しながらも、正しさを保証できるようになった。