Enhancing security and scalability of Virtual Private LAN Services

Abstract Ethernet based VPLS (Virtual Private LAN Service) is a transparent, protocol independent, multipoint L2VPN (Layer 2 Virtual Private Network) mechanism to interconnect remote customer sites over IP (Internet Protocol) or MPLS (Multiprotocol Label Switching) based provider networks. VPLS networks are now becoming attractive in many Enterprise applications, such as DCI (data center interconnect), voice over IP (VoIP) and videoconferencing services due to their simple, protocol-independent and cost efficient operation. However, these new VPLS applications demand additional requirements, such as elevated security, enhanced scalability, optimum utilization of network resources and further reduction in operational costs. Hence, the motivation of this thesis is to develop secure and scalable VPLS architectures for future communication networks. First, a scalable secure flat-VPLS architecture is proposed based on a Host Identity Protocol (HIP). It contains a session key-based security mechanism and an efficient broadcast mechanism that increase the forwarding and security plane scalability of VPLS networks. Second, a secure hierarchical-VPLS architecture is proposed to achieve control plane scalability. A novel encrypted label-based secure frame forwarding mechanism is designed to transport L2 frames over a hierarchical VPLS network. Third, a novel Distributed Spanning Tree Protocol (DSTP) is designed to maintain a loop free Ethernet network over a VPLS network. With DSTP it is proposed to run a modified STP (Spanning Tree Protocol) instance in each remote segment of the VPLS network. In addition, two Redundancy Identification Mechanisms (RIMs) termed Customer Associated RIMs (CARIM) and Provider Associated RIMs (PARIM) are used to mitigate the impact of invisible loops in the provider network. Lastly, a novel SDN (Software Defined Networking) based VPLS (Soft-VPLS) architecture is designed to overcome tunnel management limitations in legacy secure VPLS architectures. Moreover, three new mechanisms are proposed to improve the performance of legacy tunnel management functions: 1) A dynamic tunnel establishment mechanism, 2) a tunnel resumption mechanism and 3) a fast transmission mechanism. The proposed architecture utilizes a centralized controller to command VPLS tunnel establishment based on real-time network behavior. Hence, the results of the thesis will help for more secure, scalable and efficient system design and development of VPLS networks. It will also help to optimize the utilization of network resources and further reduction in operational costs of future VPLS networks.Tiivistelmä Ethernet-pohjainen VPLS (Virtual Private LAN Service) on läpinäkyvä, protokollasta riippumaton monipisteverkkomekanismi (Layer 2 Virtual Private Network, L2VPN), jolla yhdistetään asiakkaan etäkohteet IP (Internet Protocol)- tai MPLS (Multiprotocol Label Switching) -yhteyskäytäntöön pohjautuvien palveluntarjoajan verkkojen kautta. VPLS-verkoista on yksinkertaisen protokollasta riippumattoman ja kustannustehokkaan toimintatapansa ansiosta tullut kiinnostavia monien yrityssovellusten kannalta. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi DCI (Data Center Interconnect), VoIP (Voice over IP) ja videoneuvottelupalvelut. Uusilta VPLS-sovelluksilta vaaditaan kuitenkin uusia asioita, kuten parempaa tietoturvaa ja skaalautuvuutta, optimaalista verkkoresurssien hyödyntämistä ja käyttökustannusten pienentämistä entisestään. Tämän väitöskirjan tarkoituksena onkin kehittää turvallisia ja skaalautuvia VPLS-arkkitehtuureja tulevaisuuden tietoliikenneverkoille. Ensin väitöskirjassa esitellään skaalautuva ja turvallinen flat-VPLS-arkkitehtuuri, joka perustuu Host Identity Protocol (HIP) -protokollaan. Seuraavaksi käsitellään istuntoavaimiin perustuvaa tietoturvamekanismia ja tehokasta lähetysmekanismia, joka parantaa VPLS-verkkojen edelleenlähetyksen ja tietoturvatason skaalautuvuutta. Tämän jälkeen esitellään turvallinen, hierarkkinen VPLS-arkkitehtuuri, jolla saadaan aikaan ohjaustason skaalautuvuus. Väitöskirjassa kuvataan myös uusi salattu verkkotunnuksiin perustuva tietokehysten edelleenlähetysmekanismi, jolla L2-kehykset siirretään hierarkkisessa VPLS-verkossa. Lisäksi väitöskirjassa ehdotetaan uuden Distributed Spanning Tree Protocol (DSTP) -protokollan käyttämistä vapaan Ethernet-verkkosilmukan ylläpitämiseen VPLS-verkossa. DSTP:n avulla on mahdollista ajaa muokattu STP (Spanning Tree Protocol) -esiintymä jokaisessa VPLS-verkon etäsegmentissä. Väitöskirjassa esitetään myös kaksi Redundancy Identification Mechanism (RIM) -mekanismia, Customer Associated RIM (CARIM) ja Provider Associated RIM (PARIM), joilla pienennetään näkymättömien silmukoiden vaikutusta palveluntarjoajan verkossa. Viimeiseksi ehdotetaan uutta SDN (Software Defined Networking) -pohjaista VPLS-arkkitehtuuria (Soft-VPLS) vanhojen turvallisten VPLS-arkkitehtuurien tunnelinhallintaongelmien poistoon. Näiden lisäksi väitöskirjassa ehdotetaan kolmea uutta mekanismia, joilla voidaan parantaa vanhojen arkkitehtuurien tunnelinhallintatoimintoja: 1) dynaaminen tunnelinluontimekanismi, 2) tunnelin jatkomekanismi ja 3) nopea tiedonsiirtomekanismi. Ehdotetussa arkkitehtuurissa käytetään VPLS-tunnelin luomisen hallintaan keskitettyä ohjainta, joka perustuu reaaliaikaiseen verkon käyttäytymiseen. Tutkimuksen tulokset auttavat suunnittelemaan ja kehittämään turvallisempia, skaalautuvampia ja tehokkaampia VLPS järjestelmiä, sekä auttavat hyödyntämään tehokkaammin verkon resursseja ja madaltamaan verkon operatiivisia kustannuksia