[논문 리뷰] ANCHOR: logically-centralized security for Software-Defined Networks

Diego Kreutz, Jiangshan Yu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 09.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 90인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 정의 네트워크(SDN)에서 비기능적 성질—특히 보안성—을 강제하기 위한 논리적으로 중심화된 아키텍처 프레임워크인 ANCHOR를 제안한다. 신뢰할 수 있는 미들웨어 계층을 통해 보안 장치 등록, 내성적인 PRG, 완벽한 향후 비밀성과 같은 핵심 보안 메커니즘을 중앙 집중화함으로써 ANCHOR는 글로벌 정책 강제, 복잡성 감소, 내성성 향상을 실현하며, 성능 면에서 OpenSSL보다 50% 향상되었고, ONF의 12개 보안 요구사항 중 11개를 충족시켰다.

ABSTRACT

While the centralization of SDN brought advantages such as a faster pace of innovation, it also disrupted some of the natural defenses of traditional architectures against different threats. The literature on SDN has mostly been concerned with the functional side, despite some specific works concerning non-functional properties like 'security' or 'dependability'. Though addressing the latter in an ad-hoc, piecemeal way, may work, it will most likely lead to efficiency and effectiveness problems. We claim that the enforcement of non-functional properties as a pillar of SDN robustness calls for a systemic approach. As a general concept, we propose ANCHOR, a subsystem architecture that promotes the logical centralization of non-functional properties. To show the effectiveness of the concept, we focus on 'security' in this paper: we identify the current security gaps in SDNs and we populate the architecture middleware with the appropriate security mechanisms, in a global and consistent manner. Essential security mechanisms provided by anchor include reliable entropy and resilient pseudo-random generators, and protocols for secure registration and association of SDN devices. We claim and justify in the paper that centralizing such mechanisms is key for their effectiveness, by allowing us to: define and enforce global policies for those properties; reduce the complexity of controllers and forwarding devices; ensure higher levels of robustness for critical services; foster interoperability of the non-functional property enforcement mechanisms; and promote the security and resilience of the architecture itself. We discuss design and implementation aspects, and we prove and evaluate our algorithms and mechanisms, including the formalisation of the main protocols and the verification of their core security properties using the Tamarin prover.

연구 동기 및 목표

• SDN의 논리적 제어 중심화로 인해 발생하는 증가하는 보안 위험을 해결하기 위해, 기존 네트워크 방어 메커니즘의 기능을 약화시키는 문제를 다루기 위해.
• 장치 인증, 엔트로피 원천, 장기적 내성성과 관련된 현재의 SDN 보안 모델에서의 핵심 격차를 특정하기 위해.
• 일致하고 확장 가능한 방식으로 보안 및 신뢰성과 같은 비기능적 성질을 아키텍처 수준에서 체계적으로 강제하기 위한 솔루션을 제안하기 위해.
• 비기능적 메커니즘의 중앙 집중화가 점진적이고 분산된 접근 방식에 비해 보안, 성능, 상호운용성 향상에 기여하는지를 입증하기 위해.
• 보안을 넘어 신뢰성 및 QoS와 같은 다른 비기능적 성질로의 확장 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• SDN 제어 평면 전반에 걸쳐 비기능적 성질—특히 보안성—의 강제를 논리적으로 중심화하는 미들웨어 서브시스템으로 ANCHOR를 설계하기 위해.
• 내성적인 의사난수 생성기(PRG), 강력한 엔트로피 원천, 안전한 키 교환 프rotocol를 포함한 경량이면서 암호학적으로 강력한 원천을 통합하기 위해.
• 스포핑 및 무단 액세스를 방지하기 위해 iDVV(기반 아이덴티티 장치 검증)를 사용하여 안전한 장치 등록 및 연동 프로토콜을 구현하기 위해.
• 완벽한 향후 비밀성, 후기 컴prom리 보호, 재생 공격에 대한 저항성과 같은 성질을 검증하기 위해 핵심 프로토콜을 Tamarin 프로버를 사용해 형식화하기 위해.
• Ryu, Mininet, Open vSwitch(OVS) 및 OpenFlow를 사용하여 성능을 평가하고, 통신 오버헤드와 종단 간 지연 시간을 측정하기 위해.
• OpenSSL과의 비교를 통해 ANCHOR의 암호 연산 성능을 벤치마킹하고, 더 높은 보안 보장을 유지하면서도 성능 면에서 50% 향상된 결과를 도출하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비기능적 성질인 보안성은 어떻게 점진적이고 국소적인 솔루션 대신 체계적으로 강제할 수 있는가?
• RQ2 현재의 SDN 아키텍처에서 장치 인증, 키 관리, 엔트로피 생성과 관련된 주요 보안 격차는 무엇인가?
• RQ3 비기능적 메커니즘의 논리적 중심화가 SDN에서 보안, 성능, 상호운용성 향상에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ4 ANCHOR와 같은 중앙 집중형 프레임워크는 낮은 통신 오버헤드를 유지하면서도 완벽한 향후 비밀성 및 컴프롬리 복구와 같은 더 강력한 보안 보장을 달성할 수 있는가?
• RQ5 실제 SDN 환경에서 널리 사용되는 표준인 OpenSSL과 비교해 ANCHOR의 암호 연산 성능은 어떻게 되는가?

주요 결과

• ANCHOR는 키 생성 및 장치 인증과 같은 핵심 보안 메커니즘의 외부화 및 중앙 집중화를 통해 컨트롤러와 포워딩 장치의 복잡성을 감소시켰다.
• ANCHOR는 암호 연산에서 OpenSSL보다 50% 성능 향상을 보였고, 완벽한 향후 비밀성 및 컴프롬리 복구를 포함한 더 강력한 보안 보장을 제공했다.
• Tamarin 프로버를 사용한 형식적 검증을 통해 ANCHOR의 핵심 프로토콜이 재생 공격 및 맨인더미들(MITM) 공격에 저항하는 등 필수 보안 성질을 충족하는 것으로 확인되었다.
• ANCHOR는 오픈 네트워킹 포럼(ONF)에서 권장하는 12개 보안 요구사항 중 11개를 충족시켜 산업 표준과의 강력한 일치성을 입증했다.
• 이 아키텍처는 비기능적 성질에 대한 글로벌 정책 강제를 가능하게 하여 이질적인 SDN 환경 간의 내성성과 상호운용성을 향상시켰다.
• 이 프레임워크는 보안을 넘어 모듈러하고 중심화된 설계를 통해 향후 신뢰성 및 QoS 메커니즘의 통합을 지원하는 확장성이 있다.