Secure and dependable virtual network embedding

Tese de mestrado, Engenharia Informática (Arquitectura, Sistemas e Redes de Computadores) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016A virtualização de redes tornou-se uma técnica poderosa que permite que várias redes virtuais, criadas por diferentes utilizadores, operem numa infraestrutura partilhada. Com o avanço de tecnologias como Redes Definidas por Software1, a virtualização de redes ganhou um novo ímpeto e tornou-se uma funcionalidade central em ambientes de computação em nuvem. Um dos grandes desafios que a virtualização de redes apresenta é como utilizar de forma eficiente os recursos oferecidos pelas redes físicas dos fornecedores de infraestruturas, nomeadamente os nós - entidades de uma rede com capacidade computacional – e ligações – entidades de uma rede que transportam dados entre pares de nós. De forma a resolver este problema, vários trabalhos da área de virtualização de redes têm sido desenvolvidos [1]. Em particular, têm sido propostos algoritmos que encontram formas eficazes para decidir onde mapear os nós e as ligações virtuais na rede física. Estes algoritmos podem assumir uma de três aproximações diferentes: soluções exatas, que resolvem pequenas instâncias do problema e encontram soluções ótimas para a localização dos recursos virtuais na rede física; soluções baseadas em heurísticas, que se focam em obter um bom resultado, próximo do ótimo, em pouco tempo; e meta-heurísticas, que usam técnicas específicas independentes do problema para achar um resultado próximo do ótimo. Tipicamente o objetivo destes algoritmos é achar estes mapeamentos tendo em conta determinadas métricas, como qualidade de serviço, custos económicos ou confiabilidade. Neste contexto, uma das métricas menos exploradas é a garantia da segurança das redes virtuais, um tema que é cada vez mais importante, especialmente em ambientes de computação em nuvem. As plataformas de virtualização propostas recentemente dão aos utilizadores a liberdade para especificarem de forma arbitrária as topologias virtuais para as suas redes e esquemas de endereçamento. Estas plataformas têm sido desenvolvidas considerando apenas um provedor de nuvem, forçando os clientes a confiarem que este provedor mantém os seus dados e cargas de trabalho seguros e disponíveis. Infelizmente, existem evidências de que problemas nestes ambientes ocorrem, tanto de natureza maliciosa (ataques causados através de algum elemento corrompido na rede) como benigna (falhas em elementos individuais da rede, ou falhas causadas, por exemplo, por catástrofes, afetando vários elementos da rede em simultâneo) [2]. Deste modo, nesta tese defendemos que a segurança e a confiabilidade são dois fatores críticos e, por isso, devem ser considerados durante o processo de mapeamento das redes virtuais. Nesse sentido, neste trabalho definimos um problema denominado Mapeamento de Redes Virtuais Seguro e Confiável, e construímos um algoritmo que resolve este problema num ambiente constituído por várias nuvens (i.e., múltiplos provedores de recursos físicos). Ao considerar-se um ambiente como este, evita-se que o cliente fique restringido a apenas um provedor, aumentando a possibilidade de a sua rede e o seu serviço resistirem a falhas em elementos da rede física ou interrupções numa nuvem, através da replicação dos serviços por diversas nuvens. A segurança das redes virtuais também é melhorada na medida em que os serviços mais sensíveis podem ser colocados em nuvens que oferecem maiores garantias de segurança. O problema em si tem como principal objetivo mapear redes virtuais sobre a rede física, distribuída potencialmente por diferentes nuvens, utilizando a menor quantidade de recursos, e satisfazendo, ao mesmo tempo, os seguintes requisitos: (i) cada nó e ligação virtual é mapeado na rede física satisfazendo os requisitos de capacidade de computação e de largura de banda, respetivamente, e também os requisitos de segurança e confiabilidade associados; (ii) cada nó virtual ´e mapeado num nó físico cuja localização satisfaz os requisitos do primeiro (isto é, se por exemplo um nó virtual procura uma nuvem que forneça um nível de máxima segurança, o nó físico que será alocado tem de pertencer a uma nuvem com essa característica); (iii) a rede virtual está protegida contra erros na rede física ou disrupção numa nuvem, de modo a cumprir os requisitos de confiabilidade. O algoritmo que apresentamos nesta tese cobre todos os requisitos deste problema, juntando, pela primeira vez, as propriedades segurança e confiabilidade. Adicionalmente, esta solução considera um ambiente de múltiplos domínios (neste caso, múltiplas nuvens), de maneira a eliminar eventuais limitações que surgem quando se usa um único provedor de nuvem. A solução criada é uma solução exata, desenvolvida através de uma técnica de otimização de programação inteira mista, e tem como objetivo minimizar os custos de mapeamento de redes virtuais, cobrindo sempre os seus requisitos de segurança e confiabilidade. Nesta solução são definidas diversas restrições que têm de ser cumpridas para que uma rede virtual possa ser mapeada sobre uma rede física. O nosso algoritmo oferece vários níveis de segurança e confiabilidade que podem ser escolhidos na definição das redes virtuais, nomeadamente associados aos nós e às ligações que as compõem. O cliente pode escolher arbitrariamente que níveis deseja para cada recurso virtual, para além de poder especificar também a topologia da sua rede e os requisitos de capacidade de computação e largura de banda para os nós e ligações, respetivamente. Sumariamente, nesta tese consideramos que são suportados vários níveis de segurança para os nós e ligações virtuais, que vão desde segurança por omissão, isto é, garantias mínimas de segurança, até à inclusão de mecanismos criptográficos que garantem maior segurança. Em relação à confiabilidade, os clientes podem optar por adicionar redundância aos seus recursos virtuais de modo a tolerar falhas. Quando é requisitada redundância, os clientes podem escolher, para cada nó virtual, se desejam a respetiva reserva adicional na mesma nuvem onde se encontra o nó primário, tolerando apenas falhas locais, ou localizada noutra nuvem, com o intuito de aumentar a probabilidade de a sua rede virtual sobreviver a uma disrupção¸ ao de uma nuvem. Na nossa solução, as nuvens são também distinguidas entre si consoante o nível de confiança que fornecem ao cliente. Podem ser consideradas nuvens públicas (pertencentes a provedores), privadas (pertencentes aos próprios clientes), entre outras. A definição de diferentes tipos de nuvem dá a possibilidade ao cliente de escolher as nuvens consoante a sensibilidade da sua informação. Nesta tese é ainda apresentada uma interface de programação de aplicações, que fornece como funcionalidade o mapeamento de redes virtuais segura e confiável, e que pode ser utilizada por plataformas de virtualização que tenham em conta ambientes de múltiplos domínios [3]. Quanto aos resultados, quando segurança e confiabilidade são requisitadas pelas redes virtuais, os mesmos mostram que existe um custo adicional (já esperado) para fornecer estas propriedades. No entanto, um ligeiro ajuste no preço dos recursos permite aos fornecedores de infraestruturas que fornecem segurança e confiabilidade obter um lucro semelhante (ou superior) ao dos fornecedores que não fornecem este tipo de propriedades. Os resultados mostram ainda que o nosso algoritmo se comporta de maneira similar ao algoritmo mais utilizado para mapeamento de redes virtuais, D-ViNE [4, 5], quando os requisitos de segurança e confiabilidade não são considerados. Apesar de serem uma boa base para novos trabalhos na área, as soluções exatas Não escalam (este tipo de soluções apenas consegue resolver problemas num tempo razoável se estes forem de pequena escala). Deste modo, como trabalho futuro, o primeiro caminho a tomar será o desenvolvimento de uma heurística que garanta as propriedades de segurança e confiabilidade.Network virtualization is emerging as a powerful technique to allow multiple virtual networks (VN), eventually specified by different tenants, to run on a shared infrastructure. With the recent advances on Software Defined Networks (SDN), network virtualization – traditionally limited to Virtual Local Area Networks (VLAN) – has gained new traction. A major challenge in network virtualization is how to make efficient use of the shared resources. Virtual network embedding (VNE) addresses this problem by finding an effective mapping of the virtual nodes and links onto the substrate network (SN). VNE has been studied in the network virtualization literature, with several different algorithms having been proposed to solve the problem. Typically, these algorithms address various requirements, such as quality of service (QoS), economic costs or dependability. A mostly unexplored perspective on this problem is providing security assurances, a gap increasingly more relevant to organizations, as they move their critical services to the cloud. Recently proposed virtualization platforms give tenants the freedom to specify their network topologies and addressing schemes. These platforms have been targeting only a datacenter of a single cloud provider, forcing complete trust on the provider to run the workloads correctly and limiting dependability. Unfortunately, there is increasing evidence that problems do occur at a cloud scale, of both malicious and benign natures. Thus, in this thesis we argue that security and dependability is becoming a critical factor that should be considered by VNE algorithms. Motivated by this, we define the secure and dependable VNE problem, and design an algorithm that addresses this problem in multiple cloud environments. By not relying on a single cloud we avoid internet-scale single points of failures, ensuring the recovery from cloud outages by replicating workloads across providers. Our solution can also enhance security by leaving sensitive workloads in more secure clouds: for instance, in private clouds under control of the user or in facilities that employ the required security features. The results from our experiments show that there is a cost in providing security and availability that may reduce the provider profit. However, a relatively small increase in the price of the richer features of our solution (e.g., security resources) enables the provider to offer secure and dependable network services at a profit. Our experiments also show that our algorithm behaves similarly to the most commonly used VNE algorithm when security and dependability are not requested by VNs