[논문 리뷰] MTS: Bringing Multi-Tenancy to Virtual Networking

Kashyap Thimmaraju, Saad Hermak외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 04.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

MTS는 SR-IOV와 최소 권한 원칙을 활용하여 호스트 외부에 위치한 전용이고 분리된 가상 머신(Virtual Machine)에 vswitch를 이동시켜 다중 테넌트 환경에서 테넌트 네트워크를 격리하는 보안성 높은 다중 테넌트 가상 스위치 아키텍처를 제안한다. 이는 단 한 개의 추가 CPU 코어만으로도 기준 vswitch 대비 1.5–2배 높은 전송 처리량을 달성하면서도 클라우드 환경에서 보안성과 성능 격리 수준을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Multi-tenant cloud computing provides great benefits in terms of resource sharing, elastic pricing, and scalability, however, it also changes the security landscape and introduces the need for strong isolation between the tenants, also inside the network. This paper is motivated by the observation that while multi-tenancy is widely used in cloud computing, the virtual switch designs currently used for network virtualization lack sufficient support for tenant isolation. Hence, we present, implement, and evaluate a virtual switch architecture, MTS, which brings secure design best-practice to the context of multi-tenant virtual networking: compartmentalization of virtual switches, least-privilege execution, complete mediation of all network communication, and reducing the trusted computing base shared between tenants. We build MTS from commodity components, providing an incrementally deployable and inexpensive upgrade path to cloud operators. Our extensive experiments, extending to both micro-benchmarks and cloud applications, show that, depending on the way it is deployed, MTS may produce 1.5-2x the throughput compared to state-of-the-art, with similar or better latency and modest resource overhead (1 extra CPU). MTS is available as open source software.

연구 동기 및 목표

• 기존 다중 테넌트 가상 스위치 설계에서 보이는 강력한 네트워크 격리의 부족을 해결하기 위해 핵심 보안 원칙을 위반하지 않도록 한다.
• 기존 가상화 스택이나 인fra구조의 대대적인 개선 없이도 클라우드 가상 네트워크에서 테넌트 격리를 향상시키기 위해 노력한다.
• 일반 하드웨어와 기존 vswitch(예: Open vSwitch)를 사용하는 클라우드 운영자들이 실용적이고 점진적으로 도입 가능한 업그레이드 경로를 제공한다.
• vswitch 컴포넌트를 분리하고 모든 네트워크 통신을 중재함으로써 테넌트 간에 공유되는 신뢰할 수 있는 컴퓨팅 기반을 줄인다.
• 보안성 있는 가상 네트워킹이 소량의 성능 및 자원 오버헤드로도 달성 가능함을 입증하여 광범위한 도입을 가능하게 한다.

제안 방법

• SR-IOV를 활용해 직접 하드웨어 액세스를 허용하고 네트워크 I/O를 완전히 중재함으로써, 각 테넌트 전용으로 할당된 단일 vswitch 컴파트먼트를 여러 개의 분리된 가상 머신으로 배포한다.
• 각 vswitch를 최소 권한 원칙에 따라 최소한의 권한으로 실행되는 별도의 가상 머신에서 실행함으로써 공격 표면을 최소화한다.
• 테넌트 가상 머신과 그에 할당된 vswitch 가상 머신 간에 인터럽트 기반 통신을 사용하여 공유 메모리 사용을 방지하고 격리를 강화한다.
• 기존의 생산 수준의 vswitch(예: Open vSwitch)를 활용하여 QEMU 수정 없이도 원활한 통합이 가능하며, 애플리케이션 재프로그래밍이 필요하지 않다.
• 경량 사용자 영역 패킷 처리 모델을 도입하여 고성능 전달 성능를 유지하면서도 강력한 격리 보장을 확보한다.
• 점진적 배포를 고려해 설계되어 기존 배포 환경을 최소한의 구성 변경으로 이식할 수 있다.

Figure 1 : A high-level view of the tradeoffs between security, performance and resources for the state-of-the-art and MTS

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성능을 유지하면서도 테넌트 간 강력한 네트워크 격리를 제공할 수 있는 가상 스위치 아키텍처를 설계할 수 있는가?
• RQ2 기존 가상화 스택이나 vswitch 소프트웨어에 변경 없이도 클라우드 가상 네트워킹에서 테넌트 격리를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 vswitch를 호스트 외부의 분리된 가상 머신으로 이동시킬 경우 발생하는 성능 및 자원 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ4 보안성과 분리성이 확보된 vswitch 설계는 기존의 호스트 기반 vswitch보다 더 높은 전송 처리량과 낮은 지연 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ5 일반 하드웨어를 사용해 실제 클라우드 환경에서 점진적으로 이러한 시스템을 배포하는 것이 가능한가?

주요 결과

• MTS는 단 한 개의 추가 CPU 코어만을 사용하면서도 공유 모드에서 기준 최신 기술 vswitch 대비 1.5–2배 높은 전송 처리량(패킷/초 기준)을 달성한다.
• 웹 서버와 키-밸류 스토어를 포함한 테넌트 워크로드는 MTS를 사용할 경우 전송 처리량과 응답 시간 모두 1.5–2배 향상된다.
• vswitch 가상 머신이 해킹되더라도 컴파트먼트 분리 및 네트워크 I/O의 완전한 중재 덕분에 시스템은 여전히 강력한 네트워크 격리를 유지한다.
• MTS는 단 한 개의 추가 CPU 코어만의 소량 자원 오버헤드를 유발하여 클라우드 운영자에게 실용적인 업그레이드 경로를 제공한다.
• QEMU 수정 없이도 기존 vswitch 재프로그래밍 없이도 보안성 있는 고성능 가상 네트워킹을 가능하게 하며, 후행 호환성을 유지한다.
• 이 솔루션은 점진적 배포가 가능하며 기존 클라우드 시스템에 쉽게 스크립팅하여 통합할 수 있어 최소한의 엔지니어링 노력으로 광범위한 도입이 가능하다.

Figure 2 : High-level overview of MTS in security Level-2. The Red and Blue vswitch compartments (VMs) are allocated dedicated virtual functions (VFs) to communicate with external networks using the In/Out VF , their respective tenants using the Gw VF and T VF . Communication between the vswitches,