[论文解读] NetSecCC: A Scalable and Fault-tolerant Architecture without Outsourcing Cloud Network Security

Jin He, Mianxiong Dong+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2014

Cloud Data Security Solutions参考文献 11被引用 3

一句话总结

NetSecCC 提出了一种可扩展、容错的云网络安全部署架构，通过将安全检查链（SIC）与动态负载均衡及主备冗余机制结合，消除了对外部安全服务的依赖。该架构在虚拟化云环境中实现了对内外网络威胁的全面防护，同时性能开销极低——延迟增加不足14%，吞吐量损失仅为11%。

ABSTRACT

Modern cloud computing platforms based on virtual machine monitors carry a variety of complex business that present many network security vulnerabilities. At present, the traditional architecture employs a number of security devices at front-end of cloud computing to protect its network security. Under the new environment, however, this approach can not meet the needs of cloud security. New cloud security vendors and academia also made great efforts to solve network security of cloud computing, unfortunately, they also cannot provide a perfect and effective method to solve this problem. We introduce a novel network security architecture for cloud computing (NetSecCC) that addresses this problem. NetSecCC not only provides an effective solution for network security issues of cloud computing, but also greatly improves in scalability, fault-tolerant, resource utilization, etc. We have implemented a proof-of-concept prototype about NetSecCC and proved by experiments that NetSecCC is an effective architecture with minimal performance overhead that can be applied to the extensive practical promotion in cloud computing.

研究动机与目标

• 解决传统云安全架构缺乏虚拟机间（VM-to-VM）保护，且可扩展性与容错能力差的问题。
• 克服云服务提供商方案（如 AWS、VMware）及 SecaaS 服务的不足，这些方案缺乏集成化、可扩展且容错的机制。
• 设计一种自管理、内置于云中的安全架构，确保端到端保护，无需依赖外部安全供应商。
• 在动态云工作负载中保持强安全保证的同时，实现高资源利用率和低性能开销。

提出的方法

• 设计一种安全检查链（SIC）架构，使流量按可配置顺序通过一系列安全服务（如防火墙、WAF、防病毒、SSL/VPN）处理。
• 在活动中间件节点之间实现动态负载均衡，以分发流量并防止过载，并在需要时自动切换至备用节点。
• 采用混合容错机制：若无活动节点过载，则切换至热备（HS）模式以实现1.2秒内快速故障切换；若发生负载不均，则创建新活动节点（3秒响应）。
• 集成安全组以在虚拟机和服务之间强制实施细粒度访问控制策略。
• 利用虚拟化与软件定义网络（SDN）原则，实现灵活、可编程的安全策略部署与流量引导。
• 使用 IXIA 作为性能测试工具，在真实工作负载（Web 访问与邮件访问）下评估吞吐量与延迟，对比启用与禁用 NetSecCC 的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不外包安全功能的前提下，使云网络安全部署架构实现高可扩展性与容错能力？
• RQ2 一种强制执行跨多个安全服务的全面检查链的云内安全架构，其性能开销如何？
• RQ3 动态负载均衡与故障切换策略如何影响中间件故障时的响应时间与系统可用性？
• RQ4 一种自包含的云内安全架构是否能有效防御虚拟化环境中的外部与内部网络威胁？
• RQ5 安全检查链的集成在多大程度上影响云工作负载的端到端延迟与吞吐量？

主要发现

• NetSecCC 将性能开销控制在可接受范围内，Web 访问平均延迟增加为 9.3%，加密邮件访问为 11.1%，相比未保护配置。
• 吞吐量下降极小，Web 访问平均仅下降 0.4%，邮件访问下降 5%，表明在检查工作负载下具有极强的效率。
• 混合容错机制确保了低故障切换延迟（热备模式下 1.2 秒），并通过智能选择故障切换或创建新节点，避免了故障切换期间的性能下降。
• 该架构通过在虚拟机间强制实施安全检查链，成功防范了外部与内部攻击，弥补了传统方案与云服务提供商方案的关键缺陷。
• 实验结果证实，NetSecCC 即使在流量突发情况下也能保持高系统可用性与性能，展现出良好的可扩展性与鲁棒性。
• 该方案在强安全性、低开销与高容错之间实现了良好平衡，适用于无需外部安全外包的大规模云部署。