[논문 리뷰] SDNsec: Forwarding Accountability for the SDN Data Plane

Takayuki Sasaki, Christos Pappas외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 06.

Software-Defined Networks and 5G인용 수 11

한 줄 요약

SDNsec는 스위치에서의 전달 책임을 보장하기 위해 패킷 내 암호화 마킹을 사용하는 SDN 데이터 플레인을 위한 보안 확장 기능이다: 컨트롤러는 스위치에서 실행하기 위한 전달 규칙에 서명을 하고, 스위치는 컨트롤러가 검증할 수 있는 경로 마킹을 생성한다. 이는 일관된 정책 업데이트를 가능하게 하고, 비승인된 경로 이탈을 탐지하며, 상태 고갈 공격을 네트워크 엣지로 국한시킨다.

ABSTRACT

SDN promises to make networks more flexible, programmable, and easier to manage. Inherent security problems in SDN today, however, pose a threat to the promised benefits. First, the network operator lacks tools to proactively ensure that policies will be followed or to reactively inspect the behavior of the network. Second, the distributed nature of state updates at the data plane leads to inconsistent network behavior during reconfigurations. Third, the large flow space makes the data plane susceptible to state exhaustion attacks. This paper presents SDNsec, an SDN security extension that provides forwarding accountability for the SDN data plane. Forwarding rules are encoded in the packet, ensuring consistent network behavior during reconfigurations and limiting state exhaustion attacks due to table lookups. Symmetric-key cryptography is used to protect the integrity of the forwarding rules and enforce them at each switch. A complementary path validation mechanism allows the controller to reactively examine the actual path taken by the packets. Furthermore, we present mechanisms for secure link-failure recovery and multicast/broadcast forwarding.

연구 동기 및 목표

• 침해된 스위치가 감지되지 않게 정책을 위반할 수 있는 SDN 데이터 플레인의 책임 없음 문제를 해결한다.
• 네트워크 재구성 중에 발생할 수 있는 일관되지 않은 동작을 완화하여, 비승인된 트래픽 경로 또는 격리 위반을 방지한다.
• 패킷 기반 전달 규칙을 통해 코어 스위치의 상태 저장을 줄임으로써 상태 고갈 공격을 줄인다.
• 암호화된 경로 검증을 통한 실제 패킷 경로의 반응형 검증을 가능하게 하여 운영자가 정책 위반을 탐지할 수 있도록 한다.
• 안전한 장애 복구 및 멀티캐스트/브로드캐스트 전달을 안전하고 책임감 있는 방식으로 지원한다.

제안 방법

• 스위치에서 대칭 키 암호화를 사용하여 컨트롤러가 서명한 마킹을 패킷에 통합하여 전달 규칙를 강제 이행한다.
• 스위치에서 생성하고 컨트롤러가 검증할 수 있는 마킹을 사용하여 경로 검증을 가능하게 하고 비승인된 경로 이탈을 탐지한다.
• 대칭 키 암호화를 적용하여 전달 규칙를 패킷에 바인딩함으로써 재구성 중에도 무결성과 일관성을 보장한다.
• 전송 계층 메커니즘을 통해 순서 번호와 재생 방지 기능을 도입하여 패킷 재생 공격을 방지한다.
• 경로 검증을 활용하여 경로 장애를 탐지하고 올바른 전달 경로를 재설립함으로써 안전한 링크 장애 복구를 설계한다.
• 암호화된 무결성과 책임감 있는 특성을 갖춘 멀티캐스트 및 브로드캐스트 전달을 지원하기 위해 기법을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SDN 데이터 플레인은 어떻게 암호화된 보장을 통해 스위치 수준에서 네트워크 정책을 강제 이행할 수 있는가?
• RQ2 정확한 정책 구성에도 불구하고 패킷이 비승인된 경로를 취했는지 컨트롤러가 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ3 재구성 중에 일관된 동작을 유지하여 일시적인 정책 위반을 방지하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 코어 스위치에서 상태를 줄임으로써 상태 고갈 공격을 네트워크 엣지로 국한시키는 방법은 무엇인가?
• RQ5 책임감 있는 전달 프레임워크 내에서 안전한 장애 복구 및 멀티캐스트 전달을 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• SDNsec는 전달 규칙를 패킷에 직접 통합함으로써 일관된 정책 업데이트를 보장하여 재구성 중 일시적인 잘못된 설정을 방지한다.
• 컨트롤러가 서명한 마킹을 사용함으로써 각 스위치에서 정확한 전달 동작이 강제 이행되어 비승인된 경로 이탈을 방지한다.
• 스위치에서 생성한 경로 검증 마킹을 통해 컨트롤러는 정책 위반, 특히 웜홀 공격 및 경로 위조 공격를 탐지하고 대응할 수 있다.
• 코어 스위치가 플로우 단위 상태를 저장하지 않아 패킷에 내장된 규칙에 의존하므로 상태 고갈 공격은 네트워크 엣지로 국한된다.
• 컨트롤러가 경로 장애를 탐지하고 정상 전달 경로를 재설립할 수 있도록 하여 안전한 장애 복구를 지원한다.
• 기존의 ICING과 같이 키 관리에 최종 호스트가 관여하지 않으며, 평균 패킷 크기 증가율이 23.3%에 달하던 이전 연구 대비 대역폭 오버헤드를 줄였다.