Consistent code composition and modular data plane programming

Abstract

Programmable Data Planes (PDP) enable more flexibility for the operation of networks. The various benefits of programmability have led the community to develop new software on both academic and industrial capacities. To fully reap the benefits of programmability, it should be feasible to compose and operate multiple PDP functions into a single target switch as needed. However, existing techniques are not suitable in the sense that they use an excessive number of parser states and tables, and lack abstractions for the steering of packets through the control flows. As such, they do not support modular composition of PDP functions. This thesis proposes PRIME, a composition mechanism of in-network functions that also addresses the fundamental needs of packet steering between PDP program modules. PRIME enables network operators to specify compositions of network functions written in P4 and how traffic traverses them. The composition employs a verification phase to identify ambiguities at source code level and avoid loops inside the switch pipeline. An additional table and a control plane management system enforce the steering of packets through control flows. We present a prototype of PRIME, along with a proof of the steering correctness. The results shows that it is possible to achieve module-wide compositions at little additional cost in terms of delay and throughput.

Planos de dados programáveis (PDP) permitem mais flexibilidade para a operação de redes. Os vários benefícios da programabilidade levaram a comunidade a desenvolver novos softwares, tanto na academia quanto na indústria. Para aproveitar plenamente os benefícios da programabilidade, deve ser possível compor e operar várias funções do PDP em um único switch de destino, conforme necessário. No entanto, as técnicas existentes não são adequadas no sentido em que usam um número excessivo de estados e tabelas de encaminhamento e não possuem abstrações para o direcionamento interno de pacotes através dos fluxos de controle. Portanto, as técnicas existentes não suportam a composição modular de funções ao PDP. Esta dissertação propõe PRIME, um mecanismo de composição de funções em rede que também atende às necessidades fundamentais do direcionamento interno de pacotes entre os módulos de um programa PDP. PRIME permite que os operadores de rede especifiquem composições de funções de rede escritas em P4 e como o tráfego as atravessa. A composição emprega uma fase de verificação para identificar ambiguidades em nível do código fonte e evitar loops dentro do pipeline do switch. Uma tabela adicional e um sistema de gerenciamento para o plano de controle garantem o direcionamento de pacotes através dos fluxos de controle. Apresentamos um protótipo do PRIME, juntamente com uma prova da corretude do módulo de direcionamento de tráfego. Os resultados mostram que é possível obter composições de módulos com pouco custo adicional em termos de atraso e taxa de transferência.