[论文解读] The KISS principle in Software-Defined Networking: An architecture for Keeping It Simple and Secure

Diego Kreutz, Jiangshan Yu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 4

一句话总结

本文提出KISS，一种轻量级、模块化的SDN控制平面安全架构，用去中心化、高性能的iDVV（集成设备验证值）协议和NaCl加密库替代复杂的TLS/PKI方案。通过实现每消息密钥生成且开销极小，KISS在保持机密性、完整性和真实性等安全属性的前提下，性能比OpenSSL高出30%，同时代码体积缩小一个数量级，显著提升了速度与鲁棒性。

ABSTRACT

Security is an increasingly fundamental requirement in Software-Defined Networking (SDN). However, the pace of adoption of secure mechanisms has been slow, which we estimate to be a consequence of the performance overhead of traditional solutions and of the complexity of the support infrastructure required. As a first step to addressing these problems, we propose a modular secure SDN control plane communications architecture, KISS, with innovative solutions in the context of key distribution and secure channel support. A comparative analysis of the performance impact of essential security primitives guided our selection of basic primitives for KISS. We further propose iDVV, the integrated device verification value, a deterministic but indistinguishable-from-random secret code generation protocol, allowing the local but synchronized generation/verification of keys at both ends of the channel, even on a per-message basis. iDVV is expected to give an important contribution both to the robustness and simplification of the authentication and secure communication problems in SDN. We show that our solution, while offering the same security properties, outperforms reference alternatives, with performance improvements up to 30% over OpenSSL, and improvement in robustness based on a code footprint one order of magnitude smaller. Finally, we also prove and test randomness of the proposed algorithms.

研究动机与目标

• 为解决由于性能开销和基础设施复杂性导致SDN中安全机制采纳缓慢的问题。
• 降低资源受限的SDN交换机中安全控制平面通信的计算与代码复杂度。
• 设计一种去中心化、鲁棒的密钥管理机制，避免依赖集中式PKI或TLS握手。
• 评估所提出的iDVV协议及其与加密原 primitive 的集成在性能、安全性和随机性方面的表现。
• 证明在不牺牲安全性或可扩展性的前提下，简化且安全的SDN通信是可行的。

提出的方法

• 设计并形式化iDVV协议，一种用于每消息密钥派生的确定性但不可区分于随机值的密钥代码生成协议。
• 将一次性密码类似技术适配至通信通道两端，实现同步的去中心化密钥生成与验证。
• 对加密原 primitive（如Poly1305、SHA512、AES）进行基准测试，以选择最适合KISS架构的高性能且安全的组合。
• 将iDVV与NaCl加密库集成，以替代传统TLS组件，最大限度减少代码量与圈复杂度。
• 在包含128台交换机的真实SDN环境中实现并评估KISS架构，测量在真实控制流量下的延迟与吞吐量。
• 形式化证明iDVV的不可区分性及安全性属性，包括完美前向保密性，以及对重放攻击和伪装攻击的抵抗能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管安全需求日益增长，为何SDN中安全通信机制的采纳仍然缓慢？
• RQ2 去中心化、轻量级的密钥生成机制是否能在性能与鲁棒性方面超越传统的基于TLS的解决方案？
• RQ3 加密原 primitive 及其实现的选择在多大程度上影响SDN控制平面通信的性能？
• RQ4 是否可能在代码规模仅为传统TLS-PKI实现十分之一的情况下，仍实现强大的安全保证？
• RQ5 iDVV能否在通用交换机上实现安全的每消息密钥生成，而不会引入显著延迟或资源开销？

主要发现

• 即使每包生成一个新iDVV，KISS架构在使用AES256-SHA时，性能仍比基于OpenSSL的实现高出30%。
• 与传统TLS-PKI解决方案相比，所提方案将代码库体积缩小了一个数量级，显著降低了圈复杂度。
• iDVV生成延迟低于标准密钥派生函数，可在不造成性能下降的前提下实现高效的每消息密钥生成。
• iDVV协议提供了强大的安全保证，包括完美前向保密性，以及对重放攻击和伪装攻击的抵抗能力，同时计算开销极低。
• iDVV算法的随机性已通过形式化证明和实证测试，确认其具备密码学强度与不可预测性。
• iDVV与NaCl的集成确保了端到端的安全性，涵盖真实性、完整性和机密性，其安全性不低于甚至超过TLS，且更简洁、更快速。