Une approche multidimensionnelle pour aborder les problèmes de sécurité des mécanismes d'acheminement à états dans les réseaux orientés contenus

A multifold approach to address the security issues of stateful forwarding mechanisms in Information-Centric Networks

• Auteur / Autrice : Salvatore Signorello
• Direction : Olivier Festor, Radu State, Thomas Engel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 21/06/2018
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université du Luxembourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Gabrijela Dreo-Rodošek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme François, Maria Rita Palattella
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gabrijela Dreo-Rodošek, Maryline Laurent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échange électronique d'information

Architecture des réseaux d'ordinateurs

Innovation

Internet

Attaques par déni de service

Qualité de Service (télécommunications)

Protocoles de réseaux d'ordinateurs

Mots clés libres

Information-Centric Networking

Named-Data Networking

Securité

Déni de service

Attaque par saturation de réseau

Information-Centric Networking

Named-Data Networking

Security

Denial of Service

Interest Flooding Attack

Résumé

Ce travail illustre comment les tendances actuelles d'utilisation dominantes sur Internet motivent la recherche sur des architectures futures de réseau plus orientées vers le contenu. Parmi les architectures émergentes pour l'Internet du futur, le paradigme du Information-Centric Networking (ICN) est présenté. ICN vise à redéfinir les protocoles de base d'Internet afin d'y introduire un changement sémantique des hôtes vers les contenus. Parmi les architectures ICN, le Named-Data Networking (NDN) prévoit que les demandes nommées de contenus des utilisateurs soient transmises par leur nom dans les routeurs le long du chemin d'un consommateur à une ou plusieurs sources de contenus. Ces demandes de contenus laissent des traces dans les routeurs traversés qui sont ensuite suivis par les paquets de contenus demandés. La table d'intérêt en attente (PIT) est le composant du plan de données de l'NDN qui enregistre temporairement les demandes de contenus acheminés dans les routeurs. D'une part, ce travail explique que le mécanisme d'acheminement à états de la PIT permet des propriétés comme l'agrégation de requêtes, le multicast de réponses et le contrôle natif de flux hop-by-hop. D'autre part, ce travail illustre comment l'acheminement à états de la PIT peut facilement être mal utilisé par des attaquants pour monter des attaques de déni de service distribué (DDoS) disruptives, appelées Interest Flooding Attacks (IFAs). Dans les IFAs, des botnets vaguement coordonnés peuvent inonder le réseau d'une grande quantité de demandes difficiles à satisfaire dans le but de surcharger soit l'infrastructure du réseau soit les producteurs de contenus. Ce travail de thèse prouve que bien que des contre-mesures contre les IFAs aient été proposées, il manque une compréhension complète de leur efficacité réelle puisque celles-ci ont été testées sous des hypothèses simplistes sur les scénarios d'évaluation. Dans l'ensemble, le travail présenté dans ce manuscrit permet de mieux comprendre les implications des IFAs et les opportunités d'améliorer les mécanismes de défense existants contre ces attaques. Les principales contributions de ce travail de thèse tournent autour d'une analyse de sécurité du plan d'acheminement dans l'architecture NDN. En particulier, ce travail définit un modèle d'attaquant plus robuste pour les IFAs à travers l'identification des failles dans les contre-mesures IFA existantes. Ce travail introduit un nouvel ensemble d'IFAs basé sur le modèle d'attaquant proposé. Les nouveaux IFAs sont utilisés pour réévaluer les plus efficaces contre-mesures IFA existantes. Les résultats de cette évaluation réfutent l'efficacité universelle des mécanismes de défense existants contre l'IFA et, par conséquent, appellent à différentes contre-mesures pour protéger le NDN contre cette menace de sécurité. Pour surmonter le problème révélé, ce travail définit également des contre-mesures proactives contre l'IFA, qui sont de nouveaux mécanismes de défense contre les IFA inspirés par les problèmes rencontrés dans l'état de l'art. Ce travail présente Charon, une nouvelle contre-mesure proactive contre l'IFA, et la teste contre les nouvelles IFAs. Ce travail montre que Charon est plus efficace que les contre-mesures IFA réactives existantes. Enfin, ce travail illustre la conception NDN.p4, c'est-à-dire la première implémentation d'un protocole ICN écrit dans le langage de haut niveau pour les processeurs de paquets P4. Le travail NDN.p4 est la première tentative dans la littérature visant à tirer parti des nouveaux techniques de réseaux programmables pour tester et évaluer différentes conceptions de plan de données NDN. Cette dernière contribution classe également les mécanismes alternatifs d'acheminement par rapport à un ensemble de propriétés cardinales de la PIT. Le travail souligne qu'il vaut la peine d'explorer d'autres mécanismes d'acheminement visant à concevoir un plan de données NDN moins vulnérable à la menace IFA

This work illustrates how today's Internet dominant usage trends motivate research on more content-oriented future network architectures. Among the emerging future Internet proposals, the promising Information-Centric Networking (ICN) research paradigm is presented. ICN aims to redesign Internet's core protocols to promote a shift in focus from hosts to contents. Among the ICN architectures, the Named-Data Networking (NDN) envisions users' named content requests to be forwarded by their names in routers along the path from one consumer to 1-or-many sources. NDN's requests leave trails in traversed routers which are then followed backwards by the requested contents. The Pending Interest Table (PIT) is the NDN's data-plane component which temporarily records forwarded content requests in routers. On one hand, this work explains that the PIT stateful mechanism enables properties like requests aggregation, multicast responses delivery and native hop-by-hop control flow. On the other hand, this work illustrates how the PIT stateful forwarding behavior can be easily abused by malicious users to mount disruptive distributed denial of service attacks (DDoS), named Interest Flooding Attacks (IFAs). In IFAs, loosely coordinated botnets can flood the network with a large amount of hard to satisfy requests with the aim to overload both the network infrastructure and the content producers. This work proves that although countermeasures against IFAs have been proposed, a fair understanding of their real efficacy is missing since those have been tested under simplistic assumptions about the evaluation scenarios. Overall, the work presented in this manuscript shapes a better understanding of both the implications of IFAs and the possibilities of improving the state-of-the-art defense mechanisms against these attacks. The main contributions of this work revolves around a security analysis of the NDN's forwarding plane. In particular, this work defines a more robust attacker model for IFAs by identifying flaws in the state-of-the-art IFA countermeasures. This work introduces a new set of IFAs built upon the proposed attacker model. The novel IFAs are used to re-assess the most effective existing IFA countermeasures. Results of this evaluation disproves the universal efficacy of the state-of-the-art IFA defense mechanisms and so, call for different countermeasures to protect the NDN against this threat. To overcome the revealed issue, this work also defines proactive IFA countermeasures, which are novel defense mechanisms against IFAs inspired by the issues with the state-of-the-art ones. This work introduces Charon, a novel proactive IFA countermeasure, and tests it against the novel IFA attacks. This work shows Charon counteracts latest stealthy IFAs better than the state-of-the-art reactive countermeasures. Finally, this work illustrates the NDN.p4 design, that is, the first implementation of an ICN protocol written in the high-level language for packet processors P4. The NDN.p4 work is the first attempt in the related literature to leverage novel programmable-networks technologies to test and evaluate different NDN forwarding plane designs. This last contribution also classifies existing alternative forwarding mechanisms with respect to a set of PIT cardinal properties. The work outlines that it is worth to explore alternative forwarding mechanisms aiming to design an NDN forwarding plane less vulnerable to the IFA threat