A software defined networking architecture for secure routing

Tese de mestrado, Segurança Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014O tamanho e aceitação que a internet ganhou veio ajudar à inovação e a partilha entre utilizadores, mas em contrapartida aumentou o risco de tanto a infraestrutura da internet como as pessoas que a utilizam serem alvos de ciber-ataques. Esta é apenas uma visão parcial do problema, pois para suportar a crescente utilização da internet a infraestrutura cresceu sem a maturação de vários protocols e algoritmos que executam alguns dos serviços mais básicos com que convivemos todos os dias na internet. Um dos melhores exemplos ´e o do Border Gateway Protocol, um protocolo de troca de informação de roteamento que está em uso há mais de 20 anos mas possui vários problemas de segurança conhecidos. O desenho inicial do protocolo, aliado à ineficiência das redes tradicionais impediram a adoção das várias adições de segurança já propostas para o protocolo. O protocolo não possui atualizações de segurança que o protejam contra os vários tipos de ataques já descobertos, como prefix hijacking, intercepção e ataques no plano de dados. Estes ataques podem ter consequências graves durante períodos de tempo não negligenciáveis, como reportado em [33, 19]. As propostas já existentes, como o S-BGP[27], soBGP[48] e Origin Authentication[12], apesar de eficazes na proteção contra um ou mais ataques contra o BGP, não foram adoptadas na prática devido aos seus elevados requisitos computacionais ou de implementação. Neste trabalho resumimos os problemas para adopcão de soluções de segurança em três pontos principais: 1. Algumas soluções requerem poder computacional ou capacidade de memória que nem todos os dispositivos de rede que correm BGP em funcionamento conseguem suportar; 2. A solução requer alterações ao protocolo BGP em funcionamento; 3. A solução não garante benefícios de segurança imediatos ao AS que a adoptar; A investigação actual tem chegado à conclusão que muitos dos problemas das redes tradicionais surgem devido `a necessidade de os dispositivos de rede participarem em protocolos complexos para executar funções de rede que vão além do seu objetivo: encaminhar pacotes [24]. Como consequência, as redes tornaram-se bastante complexas e portanto difíceis de gerir e escalar. A falta de segurança radica também neste problema. Em alternativa às redes tradicionais, a comunidade científica e a indústria têm vindo a adoptar um novo tipo de redes, as Software Defined Networks (SDN). Estas redes sepathe datapathram o plano de controlo do plano de dados, passando toda a lógica e estado de rede para um controlador logicamente centralizado, mantendo nos dispositivos de rede apenas a tarefa de encaminhar pacotes. Os controladores SDN implementam funções de rede através de aplicações que executam no próprio ambiente do controlador em vez de obrigar os dispositivos de rede a implementarem esses protocolos. Um desses controladores é o OpenDaylight, que tem o apoio de alguns dos maiores nomes da indústria como a Cisco, IBM, HP e Juniper, e espera-se ser a principal referência no futuro. Neste trabalho propomos duas aplicações SDNs para o controlador OpenDaylight: RFProxy e BGPSec. O RFProxy é um dos três componentes base da aplicação Route- Flow, uma plataforma de servic¸os de roteamento para SDN. O RFProxy é o único componente da aplicação a executar no controlador e é responsável por gerir e configurar os switches de acordo com as decisões tomadas pelo RFServer. Esta aplicação vem aumentar o número de opções para a utilização do RouteFlow e proporciona uma plataforma de roteamento avançada e eficiente para o OpenDaylight. A aplicação BGPSec tem como objetivo garantir proteção contra ataques de prefix hijacking, onde um atacante tenta redireccionar todo o tráfego destinado a um AS para si. Esta proteção é conseguida através da validação dos dados recebidos do BGP. Ao utilizar uma aplicação para a validação dos anúncios BGP em vez de obrigar os dispositivos de rede a executarem este processamento, o desenho e implementação tornam-se mais simples e permitem um maior conjunto de opções quando comparado com as implementações necessárias em redes tradicionais. A utilização de uma aplicação SDN para este efeito é algo inovador e traz vantagens quando comparada com as redes tradicionais. Em particular, o ambiente SDN permite mitigar os dois primeiros problemas de adopção de uma extensão de segurança, ao passar o processamento para o controlador e a não requerer uma alteração protocolo BGP. As contribuições principais deste trabalho podem ser resumidas da seguinte forma: 1. Implementação e avaliação de um serviço avançado de roteamento em ambiente SDN, nomeadamente ao controlador OpenDaylight; 2. Análise dos problemas de segurança do BGP e das extensões de segurança já propostas para redes tradicionais; 3. Desenho, implementação e avaliação de uma aplicação de segurança para o BGP baseada em SDN;The Internet has evolved from a small group of interconnected computers to an infrastructure that supports billions of devices including computers, smartphones, etc, all with increasing demands in terms of network requirements. The architecture of traditional networks hinders their capability of fulfilling these demands, mainly due to the tight coupling of the data and control planes. Network devices are required to handle and participate in complex distributed protocols to perform network tasks such as routing, making networks very complex and thus affecting their scalability, performance, management and innovation ease. The Border Gateway Protocol, the de facto protocol for routing between Autonomous Systems (ASes) is one of the fundamental protocols for the operation of the internet. However, it was created in a time where the internet was composed of fewer ASes that trusted each other and in the information they provided, which is now unsafe to assume. The internet growth also resulted in an increase in the attacks against the internet routing infrastructure, and several misbehaviors have been detected, either due to attacks against the protocol or misconfiguration. Although several solutions have been presented to solve the security issues of BGP, no proposal has yet been adopted due to three main reasons:_ The solution requires either a computational power or memory size that not all currently deployed BGP speakers will be able to withstand; _ The solution incurs changes to the BGP protocol currently in use; _ The solution does not bring immediate security benefits for the adopting AS; Software-Defined Networking (SDN) is an emerging network paradigm that aims to solve the problems of traditional networks by decoupling the data and control planes, moving the latter to a logically centralized controller while making network devices execute solely the former. All network tasks and applications run on top of the controller, which abstracts the network and greatly simplifies the development and testing of new applications and protocols. Forwarding rules are installed and removed using OpenFlow, a vendor-independent communications protocol for SDNs. Several SDN controllers have been developed by different companies and researchers, several of them open-source. One of such kind is the OpenDaylight (ODL) controller, supported by some of the top names in the IT industry (e.g. Cisco, IBM, HP). The goal of ODL is to create a controller of reference and help accelerate SDN evolution and adoption. Although the controller is the core component of a SDN, network logic is performed by an application running on top of it. An example is RouteFlow, a routing platform that provides flexible and scalabe IP routing services to a SDN. Routing decisions are made by creating a virtual network that mimics the topology of the physical infrastructure and by analyzing the routing tables of the virtual devices. RouteFlow is composed by three components: RFClient, RFServer and RFProxy, with the latter running in the controller. The first contribution of this work is the implementation and evaluation of the RFProxy module for the OpenDaylight controller. An SDN architecture provides a new environment to improve BGP security through the creation of an application to run on top of the controller. Such approach mitigates the first two adoption problems mentioned above by offloading the additional processing to the controller and by not requiring changes to the BGP protocol. The other contribution of this work is the study and analysis of the BGP security problems and traditional solutions, and how to address them in a SDN environment. We implemented and evaluated BGPSec, a security application for the OpenDaylight controller that provides the network with protection against prefix hijacking attacks, where a malicious AS tries to direct the traffic destined to an AS onto itself