Transiently Consistent SDN Updates: Being Greedy is Hard

The software-defined networking paradigm introduces interesting opportunities to operate networks in a more flexible, optimized, yet formally verifiable manner. Despite the logically centralized control, however, a Software-Defined Network (SDN) is still a distributed system, with inherent delays between the switches and the controller. Especially the problem of changing network configurations in a consistent manner, also known as the consistent network update problem, has received much attention over the last years. In particular, it has been shown that there exists an inherent tradeoff between update consistency and speed. This paper revisits the problem of updating an SDN in a transiently consistent, loop-free manner. First, we rigorously prove that computing a maximum (greedy) loop-free network update is generally NP-hard; this result has implications for the classic maximum acyclic subgraph problem (the dual feedback arc set problem) as well. Second, we show that for special problem instances, fast and good approximation algorithms exist

Outsmarting Network Security with SDN Teleportation

Software-defined networking is considered a promising new paradigm, enabling more reliable and formally verifiable communication networks. However, this paper shows that the separation of the control plane from the data plane, which lies at the heart of Software-Defined Networks (SDNs), introduces a new vulnerability which we call \emph{teleportation}. An attacker (e.g., a malicious switch in the data plane or a host connected to the network) can use teleportation to transmit information via the control plane and bypass critical network functions in the data plane (e.g., a firewall), and to violate security policies as well as logical and even physical separations. This paper characterizes the design space for teleportation attacks theoretically, and then identifies four different teleportation techniques. We demonstrate and discuss how these techniques can be exploited for different attacks (e.g., exfiltrating confidential data at high rates), and also initiate the discussion of possible countermeasures. Generally, and given today's trend toward more intent-based networking, we believe that our findings are relevant beyond the use cases considered in this paper.Comment: Accepted in EuroSP'1

Blueswitch: Enabling provably consistent configuration of network switches

Previous research on consistent updates for distributed network configurations has focused on solutions for centralized networkconfiguration controllers. However, such work does not address the complexity of modern switch datapaths. Modern commodity switches expose opaque configuration mechanisms, with minimal guarantees for datapath consistency and with unclear configuration semantics. Furthermore, would-be solutions for distributed consistent updates must take into account the configuration guarantees provided by each individual switch – plus the compositional problems of distributed control and multi-switch configurations that considerably transcend the single-switch problems. In this paper, we focus on the behavior of individual switches, and demonstrate that even simple rule updates result in inconsistent packet switching in multi-table datapaths. We demonstrate that consistent configuration updates require guarantees of strong switch-level atomicity from both hardware and software layers of switches – even in a single switch. In short, the multiple-switch problems cannot be reasonably approached until single-switch consistency can be resolved. We present a hardware design that supports a transactional configuration mechanism, and provides packet-consistent configuration: all packets traversing the datapath will encounter either the old configuration or the new one, and never an inconsistent mix of the two. Unlike previous work, our design does not require modifications to network packets. We precisely specify the hardwaresoftware protocol for switch configuration; this enables us to prove the correctness of the design, and to provide well-specified invariants that the software driver must maintain for correctness. We implement our prototype switch design using the NetFPGA-10G hardware platform, and evaluate our prototype against commercial off-the-shelf switches.This work was jointly supported by the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) and the Air Force Research Laboratory (AFRL), under contract FA8750-11-C-0249. The views, opinions, and/or findings contained in this article/presentation are those of the author/ presenter and should not be interpreted as representing the official views or policies, either expressed or implied, of the Department of Defense or the U.S. Government. We also acknowledge the support of the UK EPSRC for contributing to parts of our work, through grant EP/H040536/1. Additional data related to this publication is available at the http://www.cl.cam.ac. uk/research/srg/netfpga/blueswitch/ data repository.This is the author accepted manuscript. The final version is available from IEEE via http://dx.doi.org/10.1109/ANCS.2015.711011

A consistent and fault-tolerant data store for software defined networks

Tese de mestrado em Segurança Informática, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013O sucesso da Internet é indiscutível. No entanto, desde há muito tempo que são feitas sérias críticas à sua arquitectura. Investigadores acreditam que o principal problema dessa arquitectura reside no facto de os dispositivos de rede incorporarem funções distintas e complexas que vão além do objectivo de encaminhar pacotes, para o qual foram criados [1]. O melhor exemplo disso são os protocolos distribuídos (e complexos) de encaminhamento, que os routers executam de forma a conseguir garantir o encaminhamento de pacotes. Algumas das consequências disso são a complexidade das redes tradicionais tanto em termos de inovação como de manutenção. Como resultado, temos redes dispendiosas e pouco resilientes. De forma a resolver este problema uma arquitectura de rede diferente tem vindo a ser adoptada, tanto pela comunidade científica como pela indústria. Nestas novas redes, conhecidas como Software Defined Networks (SDN), há uma separação física entre o plano de controlo do plano de dados. Isto é, toda a lógica e estado de controlo da rede é retirada dos dispositivos de rede, para passar a ser executada num controlador logicamente centralizado que com uma visão global, lógica e coerente da rede, consegue controlar a mesma de forma dinâmica. Com esta delegação de funções para o controlador os dispositivos de rede podem dedicar-se exclusivamente à sua função essencial de encaminhar pacotes de dados. Assim sendo, os dipositivos de redes permanecem simples e mais baratos, e o controlador pode implementar funções de controlo simplificadas (e possivelmente mais eficazes) graças à visão global da rede. No entanto um modelo de programação logicamente centralizado não implica um sistema centralizado. De facto, a necessidade de garantir níveis adequados de performance, escalabilidade e resiliência, proíbem que o plano de controlo seja centralizado. Em vez disso, as redes de SDN que operam a nível de produção utilizam planos de controlo distribuídos e os arquitectos destes sistemas têm que enfrentar os trade-offs fundamentais associados a sistemas distribuídos. Nomeadamente o equilíbrio adequado entre coerência e disponibilidade do sistema. Neste trabalho nós propomos uma arquitectura de um controlador distribuído, tolerante a faltas e coerente. O elemento central desta arquitectura é uma base de dados replicada e tolerante a faltas que mantém o estado da rede coerente, de forma a garantir que as aplicações de controlo da rede, que residem no controlador, possam operar com base numa visão coerente da rede que garanta coordenação, e consequentemente simplifique o desenvolvimento das aplicações. A desvantagem desta abordagem reflecte-se no decréscimo de performance, que limita a capacidade de resposta do controlador, e também a escalabilidade do mesmo. Mesmo assumindo estas consequências, uma conclusão importante do nosso estudo é que é possível atingir os objectivos propostos (i.e., coerência forte e tolerância a faltas) e manter a performance a um nível aceitável para determinados tipo de redes. Relativamente à tolerância a faltas, numa arquitectura SDN estas podem ocorrer em três domínios diferentes: o plano de dados (falhas do equipamento de rede), o plano de controlo (falhas da ligação entre o controlador e o equipamento de rede) e, finalmente, o próprio controlador. Este último é de uma importância particular, sendo que a falha do mesmo pode perturbar a rede por inteiro (i.e., deixando de existir conectividade entre os hosts). É portanto essencial que as redes de SDN que operam a nível de produção possuam mecanismos que possam lidar com os vários tipos de faltas e garantir disponibilidade perto de 100%. O trabalho recente em SDN têm explorado a questão da coerência a níveis diferentes. Linguagens de programação como a Frenetic [2] oferecem coerência na composição de políticas de rede, conseguindo resolver incoerências nas regras de encaminhamento automaticamente. Outra linha de trabalho relacionado propõe abstracções que garantem a coerência da rede durante a alteração das tabelas de encaminhamento do equipamento. O objectivo destes dois trabalhos é garantir a coerência depois de decidida a política de encaminhamento. O Onix (um controlador de SDN muitas vezes referenciado [3]) garante um tipo de coerência diferente: uma que é importante antes da política de encaminhamento ser tomada. Este controlador oferece dois tipos de coerência na salvaguarda do estado da rede: coerência eventual, e coerência forte. O nosso trabalho utiliza apenas coerência forte, e consegue demonstrar que esta pode ser garantida com uma performance superior à garantida pelo Onix. Actualmente, os controladores de SDN distribuídos (Onix e HyperFlow [4]) utilizam modelos de distribuição não transparentes, com propriedades fracas como coerência eventual que exigem maior cuidado no desenvolvimento de aplicações de controlo de rede no controlador. Isto deve-se à ideia (do nosso ponto de vista infundada) de que propriedades como coerência forte limitam significativamente a escalabilidade do controlador. No entanto um controlador com coerência forte traduz-se num modelo de programação mais simples e transparente à distribuição do controlador. Neste trabalho nós argumentámos que é possível utilizar técnicas bem conhecidas de replicação baseadas na máquina de estados distribuída [5], para construir um controlador SDN, que não só garante tolerância a faltas e coerência forte, mas também o faz com uma performance aceitável. Neste sentido a principal contribuição desta dissertação é mostrar que uma base de dados construída com as técnicas mencionadas anteriormente (como as providenciadas pelo BFT-SMaRt [6]), e integrada com um controlador open-source existente (como o Floodlight1), consegue lidar com vários tipos de carga, provenientes de aplicações de controlo de rede, eficientemente. As contribuições principais do nosso trabalho, podem ser resumidas em: 1. A proposta de uma arquitectura de um controlador distribuído baseado nas propriedades de coerência forte e tolerância a faltas; 2. Como a arquitectura proposta é baseada numa base de dados replicada, nós realizamos um estudo da carga produzida por três aplicações na base dados. 3. Para avaliar a viabilidade da nossa arquitectura nós analisamos a capacidade do middleware de replicação para processar a carga mencionada no ponto anterior. Este estudo descobre as seguintes variáveis: (a) Quantos eventos por segundo consegue o middleware processar por segundo; (b) Qual o impacto de tempo (i.e., latência) necessário para processar tais eventos; para cada uma das aplicações mencionadas, e para cada um dos possíveis eventos de rede processados por essas aplicações. Estas duas variáveis são importantes para entender a escalabilidade e performance da arquitectura proposta. Do nosso trabalho, nomeadamente do nosso estudo da carga das aplicações (numa primeira versão da nossa integração com a base de dados) e da capacidade do middleware resultou uma publicação: Fábio Botelho, Fernando Ramos, Diego Kreutz and Alysson Bessani; On the feasibility of a consistent and fault-tolerant data store for SDNs, in Second European Workshop on Software Defined Networks, Berlin, October 2013. Entretanto, nós submetemos esta dissertação cerca de cinco meses depois desse artigo, e portanto, contém um estudo muito mais apurado e melhorado.Even if traditional data networks are very successful, they exhibit considerable complexity manifested in the configuration of network devices, and development of network protocols. Researchers argue that this complexity derives from the fact that network devices are responsible for both processing control functions such as distributed routing protocols and forwarding packets. This work is motivated by the emergent network architecture of Software Defined Networks where the control functionality is removed from the network devices and delegated to a server (usually called controller) that is responsible for dynamically configuring the network devices present in the infrastructure. The controller has the advantage of logically centralizing the network state in contrast to the previous model where state was distributed across the network devices. Despite of this logical centralization, the control plane (where the controller operates) must be distributed in order to avoid being a single point of failure. However, this distribution introduces several challenges due to the heterogeneous, asynchronous, and faulty environment where the controller operates. Current distributed controllers lack transparency due to the eventual consistency properties employed in the distribution of the controller. This results in a complex programming model for the development of network control applications. This work proposes a fault-tolerant distributed controller with strong consistency properties that allows a transparent distribution of the control plane. The drawback of this approach is the increase in overhead and delay, which limits responsiveness and scalability. However, despite being fault-tolerant and strongly consistent, we show that this controller is able to provide performance results (in some cases) superior to those available in the literature

Dataplane Specialization for High-performance OpenFlow Software Switching

OpenFlow is an amazingly expressive dataplane program- ming language, but this expressiveness comes at a severe performance price as switches must do excessive packet clas- sification in the fast path. The prevalent OpenFlow software switch architecture is therefore built on flow caching, but this imposes intricate limitations on the workloads that can be supported efficiently and may even open the door to mali- cious cache overflow attacks. In this paper we argue that in- stead of enforcing the same universal flow cache semantics to all OpenFlow applications and optimize for the common case, a switch should rather automatically specialize its dat- aplane piecemeal with respect to the configured workload. We introduce ES WITCH , a novel switch architecture that uses on-the-fly template-based code generation to compile any OpenFlow pipeline into efficient machine code, which can then be readily used as fast path. We present a proof- of-concept prototype and we demonstrate on illustrative use cases that ES WITCH yields a simpler architecture, superior packet processing speed, improved latency and CPU scala- bility, and predictable performance. Our prototype can eas- ily scale beyond 100 Gbps on a single Intel blade even with complex OpenFlow pipelines