[論文レビュー] The KISS principle in Software-Defined Networking: An architecture for Keeping It Simple and Secure

Diego Kreutz, Jiangshan Yu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、複雑なTLS/PKIに代わる分散型で高性能なソリューションであるiDVV（統合デバイス検証値）プロトコルとNaCl暗号ライブラリに基づく、軽量でモジュラーなSDN制御プレーンセキュリティアーキテクチャKISSを提案する。最小限のオーバーヘッドでメッセージごとの鍵生成を可能にすることで、KISSはOpenSSLを上回る30%のパフォーマンス向上を達成するとともに、コード量を10分の1に削減し、セキュリティ特性（真正性、完全性、機密性）を損なわず、速度と耐障害性を向上させる。

ABSTRACT

Security is an increasingly fundamental requirement in Software-Defined Networking (SDN). However, the pace of adoption of secure mechanisms has been slow, which we estimate to be a consequence of the performance overhead of traditional solutions and of the complexity of the support infrastructure required. As a first step to addressing these problems, we propose a modular secure SDN control plane communications architecture, KISS, with innovative solutions in the context of key distribution and secure channel support. A comparative analysis of the performance impact of essential security primitives guided our selection of basic primitives for KISS. We further propose iDVV, the integrated device verification value, a deterministic but indistinguishable-from-random secret code generation protocol, allowing the local but synchronized generation/verification of keys at both ends of the channel, even on a per-message basis. iDVV is expected to give an important contribution both to the robustness and simplification of the authentication and secure communication problems in SDN. We show that our solution, while offering the same security properties, outperforms reference alternatives, with performance improvements up to 30% over OpenSSL, and improvement in robustness based on a code footprint one order of magnitude smaller. Finally, we also prove and test randomness of the proposed algorithms.

研究の動機と目的

• パフォーマンスのオーバーヘッドやインfra構築の複雑さにより、SDNにおけるセキュリティメカニズムの導入が遅れているという問題に対処すること。
• リソース制限のあるSDNスイッチにおける安全な制御プレーン通信の計算およびコードの複雑さを低減すること。
• 中央集権的なPKIやTLSハンドシェイクに依存しない分散型で耐障害性の高い鍵管理メカニズムを設計すること。
• 提案されたiDVVプロトコルおよびその暗号Primitiveとの統合のパフォーマンス、セキュリティ、乱数性を評価すること。
• シンプルで安全なSDN通信が、セキュリティやスケーラビリティを損なわず実現可能であることを示すこと。

提案手法

• メッセージごとの鍵導出に適した、決定論的ではあるがランダムに見えることを特徴とする秘密コード生成プロトコルiDVVの設計および形式的定式化。
• ワンタイムパスワードのような技術を応用し、通信チャネル両端で同期的かつ分散型に鍵生成および検証を可能にする。
• パフォーマンスと安全性の両立を考慮し、Poly1305、SHA512、AESなどの暗号Primitiveのベンチマークを実施し、KISSアーキテクチャに最適な組み合わせを選定。
• iDVVをNaCl暗号ライブラリと統合し、従来のTLSコンponentsを置き換え、コードサイズとサイクロマティック複雑度を最小限に抑える。
• 128台のスイッチを含む現実的なSDN環境でKISSアーキテクチャを実装・評価し、実際の制御トラフィック下での遅延とスループットを測定。
• iDVVの不可分性およびセキュリティ特性（完全な前方機密性、再送攻撃およびなりすまし攻撃に対する耐性など）の形式的証明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ、セキュリティニーズが高まる中でも、SDNにおける安全な通信メカニズムの採用は依然として遅れているのか？
• RQ2 分散型で軽量な鍵生成メカニズムは、従来のTLSベースのソリューションに比べてパフォーマンスと耐障害性において優れていると言えるか？
• RQ3 暗号Primitiveの選定およびその実装が、SDN制御プレーン通信のパフォーマンスにどの程度の影響を及ぼすのか？
• RQ4 従来のTLS-PKI実装と比較して10分の1のコードベースで強固なセキュリティ保証を達成することは可能か？
• RQ5 iDVVは、一般のスイッチ上で顕著な遅延やリソースオーバーヘッドを引き起こさずに、安全でメッセージごとの鍵生成を可能にするか？

主な発見

• AES256-SHAを用いた場合、KISSアーキテクチャは1パケットごとに新しいiDVVを生成しても、OpenSSLベースの実装を30%上回るパフォーマンスを達成する。
• 提案手法は、従来のTLS-PKIソリューションと比較してコードベースのスコープを10分の1に削減し、サイクロマティック複雑度を顕著に低減する。
• iDVV生成の遅延は、標準の鍵導出関数を上回り、パフォーマンス劣化を伴わず効率的なメッセージごとの鍵生成を可能にする。
• iDVVプロトコルは、完全な前方機密性および再送攻撃・なりすまし攻撃に対する耐性を備えた強固なセキュリティ保証を提供するが、計算負荷は軽量である。
• iDVVアルゴリズムの乱雑性は形式的に証明され、実験的にも確認され、暗号的強度および予測不能性が裏付けられた。
• iDVVとNaClの統合により、真正性、完全性、機密性を含むエンドツーエンドのセキュリティが確保され、TLSと同等またはそれを上回るセキュリティを実現する一方で、より単純かつ高速である。