[논문 리뷰] WNetKAT: A Weighted SDN Programming and Verification Language

Kim G. Larsen, Stefan Schmid외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 30.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 37인용 수 6

한 줄 요약

WNetKAT는 SDN에서 대역폭, 지연 시간 및 비용 제약 조건을 모델링하기 위해 NetKAT에 가중치 부여된 의미 체계를 추가한 새로운 네트워크 프로그래밍 및 검증 언어이다. 이는 용량 인식 가능한 도달 가능성, 서비스 품질 및 서비스 체인에 대한 형식적 추론을 가능하게 하며, 유한 가중치 자동화 이론과의 연결으로 인해 전체 등가성의 비결정성에도 불구하고 빈도 문제(0과의 등가성)의 결정 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Programmability and verifiability lie at the heart of the software-defined networking paradigm. While OpenFlow and its match-action concept provide primitive operations to manipulate hardware configurations, over the last years, several more expressive network programming languages have been developed. This paper presents WNetKAT, the first network programming language accounting for the fact that networks are inherently weighted, and communications subject to capacity constraints (e.g., in terms of bandwidth) and costs (e.g., latency or monetary costs). WNetKAT is based on a syntactic and semantic extension of the NetKAT algebra. We demonstrate several relevant applications for WNetKAT, including cost- and capacity-aware reachability, as well as quality-of-service and fairness aspects. These applications do not only apply to classic, splittable and unsplittable (s; t)-flows, but also generalize to more complex network functions and service chains. For example, WNetKAT allows to model flows which need to traverse certain waypoint functions, which may change the traffic rate. This paper also shows the relation between the equivalence problem of WNetKAT and the equivalence problem of the weighted finite automata, which implies undecidability of the former. However, this paper also succeeds to prove the decidability of another useful problem, which is sufficient in many practical scnearios: whether an expression equals to 0. Moreover, we initiate the discussion of decidable subsets of the whole language.

연구 동기 및 목표

• SDN에서 대역폭, 지연 시간 및 금전적 비용과 같은 가중치 기반 네트워크 특성을 모델링하기 위한 형식적 언어의 부족을 해결하기 위해.
• 유량 분할, 속도 변경 및 가상화된 네트워크 기능을 통한 경유지 지정을 포함한 가중치 연산을 지원하는 대수적 구조를 NetKAT에 확장하기 위해.
• 용량 제약 조건과 비용 인식 경로 선택을 포함한 네트워크 정책의 형식적 검증을 가능하게 하기 위해.
• 특히 등가성과 빈도 문제와 같은 핵심 검증 문제의 결정 가능성을 분석하기 위해 가중치 기반 환경에서의 결정 가능성을 분석하기 위해.
• 실제 구현을 위해 특히 빈도 문제에 초점을 맞춘 WNetKAT의 결정 가능한 부분집합을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 반환 반군과 이중반군을 사용하여 NetKAT의 대수적 기반을 확장하여 가중치 연산을 구현하며, 특히 열대 반군과 최소-합 대수를 적용한다.
• WNetKAT 표현식을 나타내기 위해 반군 위에서 정의된 가중치 자동화 모델을 도입하여 형식적 의미 체계와 검증을 가능하게 한다.
• WNetKAT 등가성과 가중치 자동화(Weighted Finite Automaton, WFA) 등가성 간의 대응을 활용하여 결정 가능성을 분석한다.
• 검색 테이블과 상태 기반 연산을 위한 그룹 테이블을 사용하여 WNetKAT 표현식을 OpenFlow 호환 플로우 테이블로 컴파일하는 기법을 적용한다.
• 기존 OpenFlow 기능인 그룹 테이블, 카운터 및 메터를 활용하여 스위치 변수와 상태 기반 논리를 구현한다.
• 불확실성이 없는 WNetKAT 부분집합을 식별하여 등가성의 결정 가능성을 향한 길로 삼으며, 불확실성이 없는 자동화에 대한 결과에 영감을 받는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 프로그래밍 언어가 실세계 네트워크에 내재된 용량 및 비용 제약 조건을 형식적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 가중치 기반 네트워크 표현식의 등가성 문제는 결정 가능한가? 만약 그렇지 않다면 어떤 유용한 부분 문제들이 결정 가능한가?
• RQ3 WNetKAT는 속도가 변경되는 중간 장치를 포함한 복잡한 네트워크 기능, 예를 들어 서비스 체인을 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ4 WNetKAT는 의미 체계를 유지하면서 기존 SDN 플랫폼인 OpenFlow로 컴파일 가능한가?
• RQ5 WNetKAT의 어떤 부분집합이 검증의 결정 가능성을 보장하는가? 특히 빈도와 등가성에 초점을 맞춰서.

주요 결과

• WNetKAT 표현식의 등가성 문제는 일반 반군 위에서의 가중치 자동화 등가성 문제로 환원되므로 결정 불가능하다.
• 빈도 문제—WNetKAT 표현식이 0으로 평가되는지 여부를 판단하는 문제—는 결정 가능하다. 이는 해당 가중치 자동화의 빈도와 대응되기 때문이다.
• 빈도 문제의 결정 가능성은 대표적인 구조, 즉 열대 반군과 최소-합 이중반군과 같은 구조에서 유지되며, 이는 용량과 비용을 모델링하는 데 사용된다.
• WNetKAT는 경유지 지정 및 속도가 변경되는 중간 장치(예: 방화벽, WAN 최적화 장치)를 포함한 복잡한 네트워크 기능을 모델링할 수 있다.
• 이 언어는 용량 및 비용 제약 조건 하에서 분할 가능 및 비분할 유량에 대한 형식적 추론을 가능하게 하며, 도달 가능성 및 QoS 분석을 일반화한다.
• OpenFlow로의 WNetKAT 컴파일링은 검색 테이블, 그룹 테이블 및 카운터와 같은 기존 기능을 활용하여 가능하며, 실용적 구현을 가능하게 한다.