[논문 리뷰] A Framework and Comparative Analysis of Control Plane Security of SDN and Conventional Networks

AbdelRahman Abdou, Paul C. van Oorschot외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 20.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 34인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)과 기존 네트워크(CNs)의 제어 평면 보안을 비교 분석하기 위한 프레임워크를 제안하며, 아키텍처적 차이가 보안 위험과 대응 전략에 어떻게 영향을 미치는지에 중점을 둔다. 연구 결과, 동일한 위협 모델 하에 둘 다 유사한 제어 평면 위협을 겪지만, SDN은 중앙 집중식 컨트롤러의 특성상 기존 네트워크(CNs)가 가장자리 기반 필터링에 의존하는 것과는 달리 더 강력한 암호화 보호 및 분산 일致성 메커니즘을 필요로 한다.

ABSTRACT

Software defined networking implements the network control plane in an external entity, rather than in each individual device as in conventional networks. This architectural difference implies a different design for control functions necessary for essential network properties, e.g., loop prevention and link redundancy. We explore how such differences redefine the security weaknesses in the SDN control plane and provide a framework for comparative analysis which focuses on essential network properties required by typical production networks. This enables analysis of how these properties are delivered by the control planes of SDN and conventional networks, and to compare security risks and mitigations. Despite the architectural difference, we find similar, but not identical, exposures in control plane security if both network paradigms provide the same network properties and are analyzed under the same threat model. However, defenses vary; SDN cannot depend on edge based filtering to protect its control plane, while this is arguably the primary defense in conventional networks. Our concrete security analysis suggests that a distributed SDN architecture that supports fault tolerance and consistency checks is important for SDN control plane security. Our analysis methodology may be of independent interest for future security analysis of SDN and conventional networks.

연구 동기 및 목표

• 동일한 위협 모델 하에서 SDN과 기존 네트워크의 제어 평면 보안을 분석하고 비교하는 것.
• 특히 SDN의 제어 평면 중앙집중화와 같은 아키텍처적 차이가 보안 위험과 대응 전략을 어떻게 재구성하는지 밝혀내는 것.
• 양 대안 모두의 제어 평면 보안을 공정하게 비교할 수 있는 체계적 프레임워크를 개발하는 것.
• 특히 내부자 공격 및 DoS 공격에 대비한 기존 방어 기법의 효과성을 평가하는 것.
• 모든 요소 위협 모델(내부자 위협 포함)을 고려한 미래의 SDN 컨트롤러 설계에 대한 내성 강화를 이끌어내는 것.

제안 방법

• 루프 방지, 중복성, 토폴로지 일관성과 같은 핵심 네트워크 성질을 기반으로 비교 보안 프레임워크를 개발한다.
• 네트워크 장치 및 네트워크를 순수 SDN, 기존 네트워크, 하이브리드로 분류하여 위협 표면의 경계를 명확히 한다.
• 엔드호스트 및 모든 요소(내부자 포함) 위협 모델을 이중으로 적용하여, 양 대안 모두의 노출 수준을 평가한다.
• SDN(예: 플로우 집약, FloodGuard, TopoGuard)과 CNs(예: 가장자리 필터링, 라우팅 프rotocol 강화)의 기존 보안 메커니즘을 평가한다.
• 모듈러하고 마이크로서비스 기반의 아키텍처를 가진 분산 SDN 아키텍처가 일관성 검사 및 장애 내성 향상에 기여한다고 제안한다.
• 실제 SDN 컨트롤러(예: ONOS, OpenDaylight)와 프로토콜(예: OpenFlow, NETCONF)을 기반으로 실용적 분석을 위한 기준점을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 위협 모델 하에서 동일한 네트워크 성질을 제공할 때, SDN과 기존 네트워크의 제어 평면 보안 위험은 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 왜 가장자리 기반 필터링은 기존 네트워크와는 달리 SDN의 제어 평면 보호에 덜 효과적인가?
• RQ3 제어 평면 중앙집중화가 SDN에서 공격 표면 노출을 어떻게 증가시키거나 이동시키는가?
• RQ4 내부자 공격 및 설정 공격에 대비해 SDN 컨트롤러에서 일관성 검사와 장애 내성을 효과적으로 구현하는 방법은 무엇인가?
• RQ5 SDN과 기존 네트워크의 방어 기법 간의 주요 차이점은 무엇이며, 이러한 차이는 아키텍처 제약과 어떻게 일치하는가?

주요 결과

• 아키텍처적 차이가 있음에도 불구하고, 동일한 위협 모델 하에서 동일한 네트워크 성질을 제공할 경우 SDN과 기존 네트워크는 유사한 제어 평면 보안 위험을 보인다.
• SDN은 제어 평면 보호를 위해 가장자리 기반 필터링에 의존할 수 없으며, 이는 제어 평면이 일반적으로 네트워크 가장자리에 노출되어 있기 때문이다. 반면 기존 네트워크에서는 제어 프로토콜이 장치 내부에 제한되어 있다.
• 암호화 보호는 SDN에서 제어 평면에 대한 무단 참가를 방지하기 위해 필수적이다. 특히 엔드호스트 위협 모델에서는 더욱 그렇다.
• 중앙집중식 제어의 특성으로 인해 일관성 검사는 SDN에서 더 복잡하며, 분산형이고 모듈러한 컨트롤러 아키텍처가 이를 구현하는 데 유의미한 기여를 한다.
• 플로우 집약, 레이트 제한(예: FloodGuard), 그리고 사전 규칙 샘플링(예: Chi 등)과 같은 방어 기법은 SDN에서 DoS 및 상태 고갈 공격을 완화하는 데 핵심적이다.
• TopoGuard 및 Sphinx와 같은 도구들은 컨트롤러의 네트워크 토폴로지 시각을 검증함으로써 MITM 및 토폴로지 위조 공격을 탐지하는 데 기여한다.