[논문 리뷰] Forwarding Tables Verification through Representative Header Sets

Yacine Boufkhad, Ricardo De La Paz외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 26.

Software System Performance and Reliability참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 SDN에서 전달 테이블 검증을 위한 다항 시간 방법을 제안한다. 이 방법은 동일한 규칙과 일치하는 모든 헤더 클래스를 포괄하는 최소 집합인 대표 헤더 집합을 계산한다. 약한 완성도와 효율적인 집합 연산을 활용하여 루프와 블랙홀을 탐지하는 것이 가능해지며, 증명 레이블링 기반으로 정확성 보장을 받는다. 이는 NP-난해한 대안들보다 크게 향상된 결과를 얻는다.

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.

연구 동기 및 목표

• SDN에서 전달 테이블 검증이 NP-난해한 문제임을 해결하고자 하며, 임의의 비트마스크와 복잡한 규칙 간 상호작용으로 인해 전체 헤더 스페이스 분석이 비현실적이 되는 상황을 다룬다.
• 모든 헤더 스캔을 피하고 동일한 규칙 매칭을 유도하는 헤더의 동치 클래스에 집중함으로써 확장 가능한 검증 프레임워크를 개발하고자 한다.
• 루프 자유성과 블랙홀 부재성과 같은 핵심 네트워크 성질을 효율적이고 중심집중형 또는 분산형으로 검증하기 위해 헤더 클래스의 대표자를 활용하고자 한다.
• 강한 완성도나 SAT 기반 방법에 비해 중복이 적은 최소화된 표현을 통해 규칙 행동의 유지보수 용이성을 확보하고자 한다.

제안 방법

• 약한 완성도를 통해 최소 대표 헤더 집합 집합을 계산하여, 모든 헤더 클래스가 적어도 하나의 집합에 의해 표현되도록 보장한다.
• 규칙에 의해 정의된 헤더 집합에 대해 교차, 포함관계, 기수 체크와 같은 효율적인 집합 연산을 사용하여 대표 집합 집합을 계산하고 유지한다.
• 헤더 클래스의 수가 다항식일 경우를 가정하여, 중심집중 알고리즘을 통해 다항 시간 내에 대표 헤더 집합을 계산한다.
• 규칙 삽입, 갱신, 삭제에 대응하여 대표 집합 집합을 유지하기 위한 증분 업데이트 알고리즘을 도입한다.
• 각 노드에서 헤더 집합의 행동을 점검함으로써 블랙홀 부재성을 검증하기 위한 로컬 분산 알고리즘을 활용한다.
• 거리 레이블 기반의 증명 레이블링 기반의 루프 탐지 방법을 제안하며, 이는 MORE-SPECIFIC 가정(규칙의 구체성 증가) 하에서 효율적이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헤더 동치 클래스를 다항 시간 내에 효율적으로 표현할 수 있을까? 이를 통해 SDN에서 전달 테이블 검증이 다항 시간 내에 가능해지는가?
• RQ2 동적 규칙 변경 상황에서도 최소화되고 유지보수가 용이한 헤더 클래스 표현을 어떻게 계산하고 갱신할 수 있는가?
• RQ3 고정 필드에서 접두사 또는 범위 매칭을 사용할 경우, 실질적으로 헤더 클래스의 수가 다항식 수준을 유지할 수 있는가?
• RQ4 로컬 점검과 레이블링 기반 검증을 통해 어떤 조건에서 루프 및 블랙홀 탐지가 효율적으로 가능해지는가?

주요 결과

• d개의 고정 필드에서 접두사 또는 범위 매칭을 사용할 경우, n개의 규칙에 대해 헤더 클래스 수가 O(n^d)로 다항식 수준을 유지하여 실질적인 검증이 가능해진다.
• 모든 헤더가 아닌 대표 헤더 집합에 집중함으로써 검증 복잡도를 NP-난해에서 다항 시간으로 감소시켰다.
• 약한 완성도는 루프 및 블랙홀 성질 검증에 충분한 최소 표현을 제공한다.
• 대표 헤더 집합 집합에 대한 증분 업데이트를 지원함으로써 동적 네트워크 구성 검증이 가능해졌다.
• MORE-SPECIFIC 가정 하에서 벨먼-포드 스타일의 거리 레이블링을 활용한 완전한 분산 루프 자유성 검증이 가능해졌다.
• 전체 헤더 스페이스 탐색을 피하고 규칙 표현의 중복을 줄임으로써, SAT 솔버 및 휴리스틱 기법보다 성능이 뛰어나다.