謎は全て解けた！安楽椅子探偵に捧げる AWS ネットワーク分析入門 #CNDT2022 / CloudNative Days Tokyo 2022

CloudNative Days Tokyo 2022 で使用したスライドです。

ネットワークのトラブルシューティングは辛い作業になりがちです。特に AWS の VPC ネットワークは多数の設定が必要であり、疎通ができない場合にその原因を発見・修正するためには往々にして高いスキルが必要となります。

このような状況に対処し、誰でも体系的にネットワーク不通の原因を解消できる助けにするため、AWS は VPC Reachability Analyzer と VPC Network Access Anazlyer という二つの機能を提供しています。この機能には「到達不可能な場合であっても、その原因部分を含め送信元から送信先への完全な経路が得られる」という特徴があります。

今回の講演ではこの点について、AWS から公開されている 2 本の論文をベースにして解説を行いました。

講演アーカイブ動画：https://event.cloudnativedays.jp/cndt2022/talks/1591
ブログ記事：https://ccvanishing.hateblo.jp/entry/2022/11/23/205855

Transcript

1. 謎は全て解けた！
   安楽椅子探偵に捧げる
   AWS ネットワーク分析入門
   #CNDT2022 #CNDT2022_B
   チェシャ猫 (@y_taka_23)
   CloudNative Days Tokyo 2022
   22nd Nov. 2022
   

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2. 繋がらないネットワークの
   「犯人」を見つけられるか？
   

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3. 本日のコンテンツ
   ● 2 種類の VPC Network Analyzer の概要
   ○ ネットワーク到達可能性が全自動で検査できる
   ● SAT ソルバと SMT ソルバ
   ○ VPS Network Analyzer を支える要素技術
   ● SMT ソルバによるネットワークのエンコーディング
   ○ VPC の到達可能性をどうやって表現するのか
   

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4. 安楽椅子探偵の洞察
   1.
   Reachability Analyzer と Network Access Analyzer
   

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5. Instance A
   Subnet X
   Instance B
   Instance C
   Subnet Y
   In: 127.0.0.0/16: TCP 22
   Out: 0.0.0.0/0: All
   SecurityGroup 1
   In: 127.0.0.0/16: TCP 22
   Out: 127.0.0.1/32: All
   SecurityGroup 2
   VPC (127.0.0.0/16)
   RouteTable
   0.0.0.0/0
   (Public IP: true)
   SSH
   Internet
   Gateway
   SG
   SG
   

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6. Instance B から C に SSH
   繋がらないんだけど
   

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7. インターネットにアクセスできる
   ルートを塞ぎたいんだけど
   

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8. Instance A
   Subnet X
   Instance B
   Instance C
   Subnet Y
   In: 127.0.0.0/16: TCP 22
   Out: 0.0.0.0/0: All
   SecurityGroup 1
   In: 127.0.0.0/16: TCP 22
   Out: 127.0.0.1/32: All
   SecurityGroup 2
   VPC (127.0.0.0/16)
   RouteTable
   0.0.0.0/0
   (Public IP: true)
   SSH
   Internet
   Gateway
   SG
   SG
   SecGrp の
   ルールが
   間違い
   Public IP が
   自動で付与
   されている
   

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9. ネットワークのトラブルシュート
   ● 実際に通信してみて確認
   ○ traceroute、nc コマンドや E2E テストなど
   ○ 疎通不能な箇所はわかっても修正方法が不明
   ● 実際の通信は行わず、設定の状況を確認
   ○ マネジメントコンソールからアタリをつける
   ○ 多数の設定の相互作用を完全に把握する必要がある
   

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10. もっと労せず確実に「推理」したい
    

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11. ふたつの VPC Network Analyzer
    ● VPC Reachability Analyzer
    ○ 二点間を与えると、その間を繋ぐ経路を自動探索
    ○ 到達不可能な場合は原因のコンポーネントを指摘
    ● VPC Network Access Analyzer
    ○ 条件を与えると該当する経路を自動で列挙
    ○ 意図せず繋がってしまっている経路を検知できる
    

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12. Q: Instance A から C への
    TCP 22 による通信は到達可能か？
    A: 可能。実際の経路は以下の通り
    VPC Reachability Analyzer
    

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13. Q: Instance B から C への
    TCP 22 による通信は
    到達可能か？
    A: 不可能。
    SecurityGroup 2 を
    修正する必要がある
    「犯人」の指摘
    VPC Reachability Analyzer
    

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14. Q: Internet Gateway に対して
    アクセスできるインスタンスと
    その経路を全て列挙せよ
    A: Instance C から次のような
    インターネットアクセスが存在
    VPC Network Access Analyzer
    

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15. よく考えるとこの機能はかなり不思議
    

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16. Q: Instance B から C への
    TCP 22 による通信は
    到達可能か？
    A: 不可能。
    SecurityGroup 2 を
    修正する必要がある
    要修正ポイント以降も
    想定経路が検出されている
    

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17. ?
    SG
    ● Packet Probing (例：traceroute) による経路探索
    ○ 最初の不通ポイントまでの情報しか得られない
    ● VPC Reachability Analyzer による経路探索
    ○ 不通ポイントを含むが最後まで繋がった経路が見つかる
    SG SG
    

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18. つまり実際のパケットを
    送出している訳ではない
    

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19. まるで安楽椅子探偵の如き推理
    

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20. Section 1 のまとめ
    ● VPC ネットワークのトラブルシュートの難しさ
    ○ 設定が多数あって原因箇所が特定しづらい
    ● VPC Network Analyzer による到達可能性判定
    ○ 条件を与えれば自動で経路を探索してくれる
    ● 修正すべき点も含めて送信先までの経路を提示
    ○ 実際のパケット送出による経路探索ではない
    

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21. 安楽椅子探偵の頭脳
    2.
    SAT ソルバと SMT ソルバ
    

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22. SAT ソルバ
    ● 命題論理の充足可能性（SATisfiability）を検査
    ○ 各変数に真偽を割り当てて全体を真にできるか？
    ● 例 1：(P ∨ Q) ∧ (P ∨ ¬Q) ∧ (¬P ∨ ¬Q)
    ○ 答：充足可能（P = True, Q = False）
    ● 例 2：(P ∨ Q) ∧ (P ∨ ¬Q) ∧ (¬P ∨ ¬Q) ∧ (¬P ∨ Q)
    ○ 答：充足不可能（どう割り当てても無理）
    

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23. SMT ソルバ
    ● SAT ソルバは命題論理しか扱えない
    ○ 命題論理で書き直すと問題のサイズが爆発しがち
    ○ 元の問題の性質（例：不等号の推移性）が失われる
    ● 特定領域の理論ソルバを外部実装して組み合わせる
    ○ 整数の算術、文字列、ビットベクトル、など
    ○ ∧ や v など論理部分は SAT ソルバが担当
    

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24. SMT ソルバ
    ● 例 1（整数の算術）
    ○ 問：(x < y + 2) ∧ (x = 2z + 10) ∧ (y + z >= 10)
    ○ 答：充足可能（例：x = 12, y = 11, z = 1）
    ● 例 2（文字列）
    ○ 問：str ++ "b" = "a" ++ str
    ○ 答：充足不可能（先頭の a の個数が合わない）
    

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25. どうやって組み合わせるのか？
    

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26. ((x > 0) ∨ (y - 2z ≧ 0)) ∧
    (¬(x > 0) ∨ (y = z)) ∧
    (¬(x > 0) ∨ (z ≧ x))
    (P ∨ Q) ∧ (¬P ∨ R) ∧ (¬P ∨ S)
    P: x > 0
    Q: y - 2z ≧ 0
    R: y = z
    S: z ≧ x
    もともと解きたい問題
    SAT ソルバで解く問題
    P: True, Q: True
    R: True, S: True
    真偽割り当ての可能性
    充足可能
    理論ソルバで解く問題
    x > 0, y - 2z ≧ 0,
    y = z, z ≧ x
    Boolean
    Abstraction
    Refinement
    

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27. ((x > 0) ∨ (y - 2z ≧ 0)) ∧
    (¬(x > 0) ∨ (y = z)) ∧
    (¬(x > 0) ∨ (z ≧ x))
    P: x > 0
    Q: y - 2z ≧ 0
    R: y = z
    S: z ≧ x
    もともと解きたい問題
    SAT ソルバで解く問題
    理論ソルバで解く問題
    x > 0, y - 2z ≧ 0,
    y = z, z ≧ x
    (P ∨ Q) ∧ (¬P ∨ R) ∧ (¬P ∨ S) ∧
    ¬(P ∧ Q ∧ R ∧ S)
    充足不可能なので
    ¬(P ∧ Q ∧ R ∧ S)
    を追加
    P: True, Q: True
    R: True, S: True
    真偽割り当ての可能性
    Boolean
    Abstraction
    Refinement
    Theory
    Learning
    

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28. ((x > 0) ∨ (y - 2z ≧ 0)) ∧
    (¬(x > 0) ∨ (y = z)) ∧
    (¬(x > 0) ∨ (z ≧ x))
    P: x > 0
    Q: y - 2z ≧ 0
    R: y = z
    S: z ≧ x
    もともと解きたい問題
    SAT ソルバで解く問題
    (P ∨ Q) ∧ (¬P ∨ R) ∧ (¬P ∨ S) ∧
    ¬(P ∧ Q ∧ R ∧ S)
    P: False, Q: True
    R: True, S: True
    真偽割り当ての可能性
    充足可能
    理論ソルバで解く問題
    x ≦ 0, y - 2z ≧ 0,
    y = z, z ≧ x
    x = 0
    y = 0
    z = 0
    充足可能
    Boolean
    Abstraction
    Refinement
    

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29. AWS のどこで使われているのか？
    

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30. Tiros（本日のテーマ！）
    ● ネットワーク設定に関するクエリに答える
    ○ 例：EC2 インスタンス A から B に SSH 可能か？
    ○ 実際のパケットは送出せず、設定のみから推論
    ● いくつかの AWS サービスのバックエンドとして稼働中
    ○ VPC Network Analyzers、Inspector
    ○ 一部のユーザには直接 API を提供している
    

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31. Zelkova
    ● アクセス制御に関するクエリに答える
    ○ 例：S3 Object が外部から読み取り可能か？
    ○ 実際のアクセスは行わず、設定のみから推論
    ● セキュリティ系のサービスに統合されている
    ○ IAM Access Analyzer、AWS Config、Macie など
    ○ 内部的には Lambda Function として稼働
    

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32. 参考：CI/CD Conference 2021 での Zelkova 解説スライド
    https://speakerdeck.com/ytaka23/cicd-conference-2021
    

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33. Section 2 のまとめ
    ● SMT ソルバによる充足可能性判定
    ○ 現実の問題に対して SAT は表現力が不足
    ○ 用途特化した理論ソルバを別途組み合わせる
    ● AWS でも SMT ソルバベースの機能を提供
    ○ Tiros：ネットワークに関する検査
    ○ Zelkova：アクセス制御に関する検査
    

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34. 安楽椅子探偵の思考
    3.
    ネットワークの意味論と検査
    

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35. Reachability Analysis for
    AWS-Based Networks
    Backes J. et al. 2019
    https://doi.org/10.1007/978-3-030-25543-5_14
    

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36. 3 種類のバックエンド候補
    ● Soufflé (https://souffle-lang.github.io)
    ○ Datalog 言語（Prolog の亜種）の処理系
    ● MonoSAT (https://github.com/sambayless/monosat)
    ○ グラフ理論の特化ソルバを搭載した SMT ソルバ
    ● Vampire (https://vprover.github.io)
    ○ 一階述語論理の自動定理証明器
    

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37. 各バックエンドのベンチマーク
    ● Vampire は遅すぎて論外
    ● ほとんどのケースにおいて
    Soufflé より MonoSAT が速い
    ● 10 万インスタンスで
    数 100 秒 〜 1,000 秒
    ● MonoSAT は複数経路に弱い
    (Backes J. et al. 2019, Fig. 4)
    

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38. MonoSAT
    ● グラフ理論に関する特化ソルバ搭載の SMT ソルバ
    ○ ユーザはグラフのエッジの候補を入力
    ○ MonoSAT は実際に繋げるエッジを解として返す
    ○ 到達性判定の他、最小スパニング木なども可能
    ● ビットベクトルの理論も実装している
    ○ エッジに重みを定義することもできる
    

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39. g = Graph()
    n1 = g.addNode()
    n2 = g.addNode()
    n3 = g.addNode()
    e1 = g.addEdge(n1, n2)
    e2 = g.addEdge(n2, n3)
    e3 = g.addEdge(n1, n3)
    Assert(Not(And(e1, e2, e3)))
    Assert(Or(e1, e3))
    Assert(g.reaches(n1, n3))
    => e1: False, e2: False, e3: True
    n1
    n2
    n3
    e1 e2
    e3
    ● e1, e2, e3 の 3 辺のうち
    少なくとも 1 辺は通行不能
    ● e1, e3 の 2 辺のうち
    少なくとも 1 辺は通行可能
    ● n1 から n3 へは到達可能
    

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40. g = Graph()
    n1 = g.addNode()
    n2 = g.addNode()
    n3 = g.addNode()
    e1 = g.addEdge(n1, n2)
    e2 = g.addEdge(n2, n3)
    e3 = g.addEdge(n1, n3)
    Assert(Not(And(e1, e2, e3)))
    Assert(Or(e1, e3))
    Assert(g.reaches(n1, n3))
    => e1: False, e2: False, e3: True
    n1
    n2
    n3
    e1 e2
    e3
    ● e1, e2, e3 の 3 辺のうち
    少なくとも 1 辺は通行不能
    ● e1, e3 の 2 辺のうち
    少なくとも 1 辺は通行可能
    ● n1 から n3 へは到達可能
    

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41. どうやってグラフ理論を使うのか？
    

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42. VPC ネットワークのエンコーディング
    ● VPC のネットワークをグラフで表現
    ○ ノード：ネットワークコンポーネント
    ○ エッジ：所属もしくはアタッチされている関係
    ● CIDR に対する条件はビットベクトルで表現
    ○ SecurityGroup や RouteTable など
    ○ クエリと条件が合致しない場合はエッジを繋がない
    

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43. Instance A
    Subnet X
    Instance B
    Instance C
    Subnet Y
    In: 127.0.0.0/16: TCP 22
    Out: 0.0.0.0/0: All
    SecurityGroup 1
    In: 127.0.0.0/16: TCP 22
    Out: 127.0.0.1/32: All
    SecurityGroup 2
    VPC (127.0.0.0/16)
    RouteTable
    0.0.0.0/0
    (Public IP: true)
    SSH
    Internet
    Gateway
    SG
    SG
    

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44. RouteTable X NW ACL X
    SecGrp 2
    SG
    ENI B Instance B
    ENI C Instance C
    ENI A Instance A
    SecGrp 1
    SG
    RouteTable Y NW ACL Y
    

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45. Packet Header
    protocol: TCP
    srcAdr: 172.0.1.1
    dstAdr: 172.0.3.1
    port: 22
    e1 e2
    e3 e4
    Ingress: 172.0.0.0/16:TCP22
    ENI
    SecGrp
    NW ACL
    SG
    

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46. Packet Header
    protocol: TCP
    srcAdr: 172.0.1.1
    dstAdr: 172.0.3.1
    port: 22
    e1 e2
    e3 e4
    Assert(
    Implies(
    Or(srcAdr & 0xFFFF0000 != 0xAC000000, protocol != TCP, port != 22)
    , And(Not(e1), Not(e2))))
    Ingress: 172.0.0.0/16:TCP22
    ENI
    SecGrp
    NW ACL
    SG
    

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47. RouteTable X NW ACL X
    SecGrp 2
    SG
    ENI B Instance B
    ENI C Instance C
    ENI A Instance A
    SecGrp 1
    SG
    RouteTable Y NW ACL Y
    Q: Instance A から C へは到達可能か？
    

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48. RouteTable X NW ACL X
    SecGrp 2
    SG
    ENI B Instance B
    ENI C Instance C
    ENI A Instance A
    SecGrp 1
    SG
    RouteTable Y NW ACL Y
    Out: 127.0.0.1/32
    Q: Instance B から C へは到達可能か？
    

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49. 残る謎は「最後までの経路」の探索
    

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50. Debugging Network
    Reachability with Blocked
    Paths
    Bayless S. et al. 2021
    https://doi.org/10.1007/978-3-030-81688-9_39
    

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51. Blocked Path Analysis
    ● Blocked Path: 不通ポイントを除けば完全なパス
    ○ traceroute では最初の不通ポイント以後が不明
    ○ 不通の原因となっている設定を指摘したい
    ● 到達させるための修正候補が複数あり得る
    ○ ユーザが修正できない原因は表示しても仕方がない
    ○ 複数あるなら修正可能なものを優先したい
    

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52. Minimal Correction Subset (MCS)
    ● いわば「修正不可避な条件」の集合
    ○ MCS に属する条件を除外すれば残りは充足可能
    ○ MCS に属する条件を一つでも追加すると充足不可能
    ● Tiros は FastDiag アルゴリズムを採用
    ○ 二分探索のようなイメージで MCS の範囲を絞り込む
    ● MCS は「極小」なので複数の取り方があり得る
    

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53. P ∨ Q
    P ∨ ¬Q
    ¬P ∨ ¬Q
    ¬P
    Q
    元の問題
    P ∨ Q
    P ∨ ¬Q
    ¬P ∨ ¬Q
    充足可能
    P ∨ Q
    P ∨ ¬Q
    ¬P ∨ ¬Q
    ¬P
    充足不可能
    P ∨ Q
    P ∨ ¬Q
    ¬P ∨ ¬Q
    Q
    充足不可能
    MCS
    

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54. 可能ならユーザが修正可能な
    条件のみで MCS を探したい
    

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55. 制約のクラス分け
    ● H: Hard Constraints
    ○ ユーザから不可視の条件（例：SMT の内部変数）
    ● N: Non-Configurable Constraints
    ○ ユーザが変更不可能な AWS の仕様（例：local route）
    ● U: User-Configurable Constraints
    ○ ユーザが変更可能な設定（例：SecurityGroup）
    

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56. Blocked Path の検出 (1)
    ● まず H だけで充足可能かどうか調べる
    ● H が充足不可能ならユーザの設定では解消できないので
    Tiros は諦め、他の方法で原因を確認
    N U
    H
    

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57. Blocked Path の検出 (2)
    ● MCS
    N
    := MCS(H ∪ N) を求める
    ● H は充足可能なので MCS
    N
    ≠ ∅ なら原因は N 側にある
    ● この場合、最初の不通ポイントまでのルートを返す
    MCS
    N
    H N U
    

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58. MCS
    N
    Blocked Path の検出 (3)
    ● MCS
    U
    := MCS(((H ∪ N) \ MCS
    N
    ) ∪ U) を求める
    ● (H ∪ N) \ MCS
    N
    は MCS の定義から充足可能なので
    MCS
    U
    ≠ ∅ なら原因は U 側にある
    MCS
    U
    H N U
    

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59. MCS
    N
    MCS
    U
    Blocked Path の検出 (4)
    ● (H ∪ N ∪ U) \ (MCS
    N
    ∪ MCS
    U
    ) は MCS の定義から
    充足可能なので、その解を Blocked Path とする
    ● MCS
    U
    ⊆ U がユーザに提示される「犯人」となる
    H N U
    

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60. Section 3 のまとめ
    ● VPC ネットワークの SMT エンコーディング
    ○ MonoSAT はグラフ理論用の特化ソルバ内蔵
    ○ コンポーネントをノードで、接続をエッジで表現
    ○ 疎通に条件がいる部分はビットベクトルで表現
    ● ユーザが修正可能な条件を優先してフィードバック
    ○ 制約を H、N、U に分類して順次 MCS を詰めていく
    

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61. 安楽椅子探偵の回想
    4.
    本日のまとめ
    

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62. 本日のまとめ
    ● VPC Reachability / NW Access Analyzer の機能
    ○ 実際のパケット送出は行わず設定のみから検査
    ● SMT ソルバによる充足可能性判定
    ○ SAT ソルバ + 特定領域専用の理論ソルバ
    ● Tiros による VPC ネットワークの意味論
    ○ MonoSAT のグラフ表現 + MCS による修正箇所特定
    

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63. It’s Elementary,
    My Dear AWS Network!
    Presented By チェシャ猫 (@y_taka_23)
    

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