[論文レビュー] Tiramisu: Fast and General Network Verification

Anubhavnidhi Abhashkumar, Aaron Gember-Jacobson+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Software-Defined Networks and 5G参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

Tiramisu は、ネットワークエンコードと性質固有の検証を分離する多層ハニー・グラフ抽象化を用いた、高速かつ汎用的なネットワーク制御プレーン検証フレームワークを提案する。最適化されたグラフ走査と特化した整数線形計画法（ILPs）を組み合わせることで、大規模ネットワーク（160デバイス）においても 0.12 秒未塔でポリシーを検証し、最先端のツールに比べ 10–600× の高速化を達成しながら、汎用性を損なわない。

ABSTRACT

Today's distributed network control planes support multiple routing protocols, filtering mechanisms, and route selection policies. These protocols operate at different layers, e.g. BGP operates at the EGP layer, OSPF at the IGP layer, and VLANs at layer 2. The behavior of a network's control plane depends on how these protocols interact with each other. This makes network configurations highly complex and error-prone. State-of-the-art control plane verifiers are either too slow, or do not model certain features of the network. In this paper, we propose a new multilayer hedge graph abstraction, Tiramisu, that supports fast verification of the control plane. Tiramisu uses a combination of graph traversal algorithms and ILPs (Integer Linear Programs) to check different network policies. We use Tiramisu to verify policies of various real-world and synthetic configurations. Our experiments show that Tiramisu can verify any policy in < 0.08 s in small networks (~35 devices) and < 0.12 s in large networks (~160 devices), and it is 10-600X faster than state-of-the-art without losing generality.

研究の動機と目的

• ネットワーク制御プレーン検証ツールにおけるパフォーマンスと汎用性のトレードオフを解消すること。
• BGP、iBGP、VLAN、VRF などの実世界の構成をモデル化しながら、複雑なネットワークポリシーの高速検証を可能にすること。
• ネットワークエンコードと性質検証を分離することで、最適化された、ポリシー固有のアルゴリズムを可能にすること。
• 大規模ネットワークにおいてもサブ秒未塔の検証時間を達成しながら、主要な制御プレーン機能の完全な汎用性を維持すること。

提案手法

• BGP、OSPF、VLAN、VRF などの複数プロトコルおよび障害シナリオを、階層的で多属性を持つノードとエッジを用いてモデル化する多層ハニー・グラフ抽象化を導入する。
• 変更済みの深さ優先探索と ILP を用いたグラフカット定式化により、すべての経路を列挙せずに到達可能性および隔離ポリシーを検証する。
• 計算オーバーヘッドを最小限に抑えるために、各性質に特化した検証アルゴリズムを設計し、一般の SMT ソルバが探索する全空間を避ける。
• トラフィッククラス固有のポリシーに対して、簡略化されたプロトコル（SPVP）の並列シミュレーションをグラフ上で実行する。
• 目的の性質に関連する変数のみをモデル化することで、ILP 定式化における変数数を削減し、ソルバの効率を向上させる。
• グラフベースの抽象化を活用して、特定の性質に対して完全なプロトコルシミュレーションを回避し、複数経路のバッチ探索を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BGP、iBGP、VLAN、VRF などの複雑な制御プレーン機能を、十分な汎用性を保ちつつ、グラフベースの抽象化でモデル化できるか？
• RQ2 豊富なグラフモデル上に、速度と正しさの両立を実現するカスタムで性質固有のアルゴリズムを設計できるか？
• RQ3 到達可能性および隔離ポリシーの検証において、正確性を保持しつつ、経路列挙をどの程度回避できるか？
• RQ4 多様なネットワークトポロジおよびポリシーにおいて、ハイブリッドなグラフ-ILPアプローチは、SMTベースおよびグラフオンリーツールと比較してどの程度優れるか？
• RQ5 大規模ネットワークにおいても、効率的なスケーリングが可能で、低遅延を維持できるか？

主な発見

• Tiramisu は、小規模ネットワーク（約 35 デバイス）では任意のポリシーを 0.08 秒未塔で検証し、大規模ネットワーク（約 160 デバイス）では 0.12 秒未塔で検証する。
• 最先端のツール（Minesweeper や ARC）に比べ、10–600× の高速化を達成し、汎用性の損失は最小限に抑えられる。
• 特にポリシー固有の ILP において変数数を削減することで、一般の SMT エンコーディングに比べて、著しく短い解決時間となる。
• P1（TDFS）の検証時間は常に最も速く、P5（TYEN）と P3 は経路の多様性と ILP の複雑さのため、ばらつきが大きく、時間が長くなる傾向にある。
• ネットワークサイズに応じたスケーリングが滑らかで、Topology Zoo からの多様で大規模なトポロジにおいても低遅延を維持する。
• SMT ベースのツールとは異なり、Tiramisu はグラフベースのモデリングの制限により、外部広告の網羅的探索が不可能であり、制御プレーン同等性検証への応用が制限される。