Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Mitigation of inter-domain Policy Violations at Internet eXchange Points
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Communication Systems, CoS, Network Systems Laboratory (NS Lab).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Economic incentives and the need to efficiently deliver Internet have led to the growth of Internet eXchange Points (IXPs), i.e., the interconnection networks through which a multitude of possibly competing network entities connect to each other with the goal of exchanging traffic. At IXPs, the exchange of traffic between two or more member networks is dictated by the Border gateway Protocol (BGP), i.e., the inter-domain routing protocol used by network operators to exchange reachability information about IP prefix destinations. There is a common “honest-closed-world” assumption at IXPs that two IXP members exchange data traffic only if they have exchanged the corresponding reachability information via BGP. This state of affairs severely hinders security as any IXP member can send traffic to another member without having received a route from that member. Filtering traffic according to BGP routes would solve the problem. However, IXP members can install filters but the number of filtering rules required at a large IXP can easily exceed the capacity of the network devices. In addition, an IXP cannot filter this type of traffic as the exchanged BGP routes between two members are not visible to the IXP itself.

In this thesis, we evaluated the design space between reactive and proactive approaches for guaranteeing consistency between the BGP control-plane and the data-plane. In a reactive approach, an IXP member operator monitors, collects, and analyzes the incoming traffic to detect if any illegitimate traffic exists whereas, in a proactive approach, an operator configures its network devices to filter any illegitimate traffic without the need to perform any monitoring. We focused on proactive approaches because of the increased security of the IXP network and its inherent simplified network management. We designed and implemented a solution to this problem by leveraging the emerging Software Defined Networking (SDN) paradigm, which enables the programmability of the forwarding tables by separating the control- and data-planes. Our approach only installs rules in the data-plane that allow legitimate traffic to be forwarded, dropping anything else. As hardware switches have high performance but low memory space, we decided to make also use of software switches.  A “heavy-hitter” module detects the forwarding rules carrying most of the traffic and installs them into the hardware switch. The remaining forwarding rules are installed into the software switches.

We evaluated the prototype in an emulated testbed using the Mininet virtual network environment. We analyzed the security of our system with the help of static verification tests, which confirmed compliance with security policies. The results reveal that with even just 10% of the rules installed in the hardware switch, the hardware switch directly filterss 95% of the traffic volume with non-uniform Internet-like traffic distribution workloads. We also evaluated the latency and throughput overheads of the system, though the results are limited by the accuracy of the emulated environment. The scalability experiments show that, with 10K forwarding rules, the system takes around 40 seconds to install and update the data plane. This is due to inherent slowness of the emulated environment and limitations of the POX controller, which is coded in Python.

Abstract [sv]

Ekonomiska incitament och behovet av att effektivt leverera Internet har lett till tillväxten av Internet eXchange Points (IXP), dvs de sammankopplingsnät genom vilka en mängd möjligen konkurrerande nätverksenheter förbinder varandra med målet att utbyta trafik. Vid IXPs dikteras utbytet av trafik mellan två eller flera medlemsnät av gränsgatewayprotokollet (BGP), dvs det inter-domänroutingprotokollet som används av nätoperatörer för att utbyta tillgänglighetsinformation om IP-prefixdestinationer. Det finns ett gemensamt antagande om "honest-closed-world" vid IXP, att två IXP-medlemmar endast utbyter datatrafik om de har bytt ut motsvarande tillgänglighetsinformation via BGP. Detta tillstånd försvårar allvarligt säkerheten eftersom varje IXP-medlem kan skicka trafik till en annan medlem utan att ha mottagit en rutt från den medlemmen. Filtrering av trafik enligt BGP-vägar skulle lösa problemet. IXPmedlemmar kan dock installera filter men antalet filtreringsregler som krävs vid en stor IXP kan enkelt överskrida nätverksenheternas kapacitet. Dessutom kan en IXP inte filtrera denna typ av trafik eftersom de utbytta BGP-vägarna mellan två medlemmar inte är synliga för IXP-enheten själv.

I denna avhandling utvärderade vi utrymmet mellan reaktiva och proaktiva metoder för att garantera överensstämmelse mellan BGP-kontrollplanet och dataplanet. I ett reaktivt tillvägagångssätt övervakar, samlar och analyserar en inkommande trafik en IXP-medlem för att upptäcka om någon obehörig trafik finns, medan en operatör konfigurerar sina nätverksenheter för att filtrera någon obehörig trafik utan att behöva övervaka. Vi fokuserade på proaktiva tillvägagångssätt på grund av den ökade säkerheten för IXP-nätverket och dess inneboende förenklad nätverkshantering. Vi konstruerade och genomförde en lösning på detta problem genom att utnyttja det nya SDN-paradigmet (Software Defined Networking), vilket möjliggör programmerbarheten hos vidarebefordringsborden genom att separera kontroll- och dataplanerna. Vårt tillvägagångssätt installerar bara regler i dataplanet som tillåter legitim trafik att vidarebefordras, släppa allt annat. Eftersom hårdvaruomkopplare har hög prestanda men lågt minne, bestämde vi oss för att även använda programvaruomkopplare. En "heavy-hitter" -modul detekterar vidarebefordringsreglerna som transporterar större delen av trafiken och installerar dem i hårdvaruomkopplaren. De återstående spolningsreglerna installeras i programvaruomkopplarna.

Vi utvärderade prototypen i en emulerad testbädd med hjälp av virtuella nätverksmiljö Mininet. Vi analyserade säkerheten för vårt system med hjälp av statiska verifieringsprov, vilket bekräftade överensstämmelse med säkerhetspolicyerna. Resultaten visar att med bara 10% av de regler som installerats i hårdvaruomkopplaren filtrerar hårdvaruomkopplaren direkt 95% av trafikvolymen med ojämn Internetliknande trafikfördelningsarbete. Vi utvärderade också latens- och genomströmningsomkostnaderna för systemet, även om resultaten begränsas av noggrannheten hos den emulerade miljön. Skalbarhetsexperimenten visar att med 10K-vidarebefordringsregler tar systemet cirka 40 sekunder för att installera och uppdatera dataplanet. Detta beror på inneboende långsamma emulerade miljöer och begränsningar av POX-kontrollern, som kodas i Python.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 91
Series
TRITA-EECS-EX ; 2019:31
Keywords [en]
IXP, Computer Networks, Distributed Systems, SDN, OpenFlow, BGP, Open vSwitch, Security, Firewall, Monitoring
Keywords [sv]
IXP, Datornätverk, Distribuerade System, SDN, OpenFlow, BGP, Open vSwitch, Säkerhet, Brandvägg, Övervakning
National Category
Communication Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-244038OAI: oai:DiVA.org:kth-244038DiVA, id: diva2:1288735
Subject / course
Computer Networks
Educational program
Master of Science - Internetworking
Presentation
(English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-06-05 Created: 2019-02-14 Last updated: 2019-06-05Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1819 kB)22 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 1819 kBChecksum SHA-512
1feee18c0c65e30897a038e111877af8cbd4ed6f3f584aa55a4804ddbb428564d2b55f3ccdc6575ebf94336533787dda366f450a167bf5020b3cb9cc51966b2b
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Network Systems Laboratory (NS Lab)
Communication Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 22 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 68 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf