Lukas Iffländer

• Over the last decades, cybersecurity has become an increasingly important issue. Between 2019 and 2011 alone, the losses from cyberattacks in the United States grew by 6217%. At the same time, attacks became not only more intensive but also more and more versatile and diverse. Cybersecurity has become everyone’s concern. Today, service providers require sophisticated and extensive security infrastructures comprising many security functions dedicated to various cyberattacks. Still, attacks become more violent to a level where infrastructures canOver the last decades, cybersecurity has become an increasingly important issue. Between 2019 and 2011 alone, the losses from cyberattacks in the United States grew by 6217%. At the same time, attacks became not only more intensive but also more and more versatile and diverse. Cybersecurity has become everyone’s concern. Today, service providers require sophisticated and extensive security infrastructures comprising many security functions dedicated to various cyberattacks. Still, attacks become more violent to a level where infrastructures can no longer keep up. Simply scaling up is no longer sufficient. To address this challenge, in a whitepaper, the Cloud Security Alliance (CSA) proposed multiple work packages for security infrastructure, leveraging the possibilities of Software-defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV). Security functions require a more sophisticated modeling approach than regular network functions. Notably, the property to drop packets deemed malicious has a significant impact on Security Service Function Chains (SSFCs)—service chains consisting of multiple security functions to protect against multiple at- tack vectors. Under attack, the order of these chains influences the end-to-end system performance depending on the attack type. Unfortunately, it is hard to predict the attack composition at system design time. Thus, we make a case for dynamic attack-aware SSFC reordering. Also, we tackle the issues of the lack of integration between security functions and the surrounding network infrastructure, the insufficient use of short term CPU frequency boosting, and the lack of Intrusion Detection and Prevention Systems (IDPS) against database ransomware attacks. Current works focus on characterizing the performance of security functions and their behavior under overload without considering the surrounding infrastructure. Other works aim at replacing security functions using network infrastructure features but do not consider integrating security functions within the network. Further publications deal with using SDN for security or how to deal with new vulnerabilities introduced through SDN. However, they do not take security function performance into account. NFV is a popular field for research dealing with frameworks, benchmarking methods, the combination with SDN, and implementing security functions as Virtualized Network Functions (VNFs). Research in this area brought forth the concept of Service Function Chains (SFCs) that chain multiple network functions after one another. Nevertheless, they still do not consider the specifics of security functions. The mentioned CSA whitepaper proposes many valuable ideas but leaves their realization open to others. This thesis presents solutions to increase the performance of single security functions using SDN, performance modeling, a framework for attack-aware SSFC reordering, a solution to make better use of CPU frequency boosting, and an IDPS against database ransomware. Specifically, the primary contributions of this work are: • We present approaches to dynamically bypass Intrusion Detection Systems (IDS) in order to increase their performance without reducing the security level. To this end, we develop and implement three SDN-based approaches (two dynamic and one static). We evaluate the proposed approaches regarding security and performance and show that they significantly increase the performance com- pared to an inline IDS without significant security deficits. We show that using software switches can further increase the performance of the dynamic approaches up to a point where they can eliminate any throughput drawbacks when using the IDS. • We design a DDoS Protection System (DPS) against TCP SYN flood at tacks in the form of a VNF that works inside an SDN-enabled network. This solution eliminates known scalability and performance drawbacks of existing solutions for this attack type. Then, we evaluate this solution showing that it correctly handles the connection establishment and present solutions for an observed issue. Next, we evaluate the performance showing that our solution increases performance up to three times. Parallelization and parameter tuning yields another 76% performance boost. Based on these findings, we discuss optimal deployment strategies. • We introduce the idea of attack-aware SSFC reordering and explain its impact in a theoretical scenario. Then, we discuss the required information to perform this process. We validate our claim of the importance of the SSFC order by analyzing the behavior of single security functions and SSFCs. Based on the results, we conclude that there is a massive impact on the performance up to three orders of magnitude, and we find contradicting optimal orders for different workloads. Thus, we demonstrate the need for dynamic reordering. Last, we develop a model for SSFC regarding traffic composition and resource demands. We classify the traffic into multiple classes and model the effect of single security functions on the traffic and their generated resource demands as functions of the incoming network traffic. Based on our model, we propose three approaches to determine optimal orders for reordering. • We implement a framework for attack-aware SSFC reordering based on this knowledge. The framework places all security functions inside an SDN-enabled network and reorders them using SDN flows. Our evaluation shows that the framework can enforce all routes as desired. It correctly adapts to all attacks and returns to the original state after the attacks cease. We find possible security issues at the moment of reordering and present solutions to eliminate them. • Next, we design and implement an approach to load balance servers while taking into account their ability to go into a state of Central Processing Unit (CPU) frequency boost. To this end, the approach collects temperature information from available hosts and places services on the host that can attain the boosted mode the longest. We evaluate this approach and show its effectiveness. For high load scenarios, the approach increases the overall performance and the performance per watt. Even better results show up for low load workloads, where not only all performance metrics improve but also the temperatures and total power consumption decrease. • Last, we design an IDPS protecting against database ransomware attacks that comprise multiple queries to attain their goal. Our solution models these attacks using a Colored Petri Net (CPN). A proof-of-concept implementation shows that our approach is capable of detecting attacks without creating false positives for benign scenarios. Furthermore, our solution creates only a small performance impact. Our contributions can help to improve the performance of security infrastructures. We see multiple application areas from data center operators over software and hardware developers to security and performance researchers. Most of the above-listed contributions found use in several research publications. Regarding future work, we see the need to better integrate SDN-enabled security functions and SSFC reordering in data center networks. Future SSFC should discriminate between different traffic types, and security frameworks should support automatically learning models for security functions. We see the need to consider energy efficiency when regarding SSFCs and take CPU boosting technologies into account when designing performance models as well as placement, scaling, and deployment strategies. Last, for a faster adaptation against recent ransomware attacks, we propose machine-assisted learning for database IDPS signatures.…
• In den letzten Jahrzehnten wurde Cybersicherheit zu einem immer wichtigeren Thema. Allein zwischen 2019 und 2011 stiegen die Verluste durch Cyberattacken in den Vereinigten Staaten um 6217%. Gleichzeitig wurden die Angriffe nicht nur intensiver, sondern auch immer vielseitiger und facettenreicher. Cybersicherheit ist zu einem allgegenwärtigen Thema geworden. Heute benötigen Dienstleistungsanbieter ausgefeilte und umfassende Sicherheitsinfrastrukturen, die viele Sicherheitsfunktionen für verschiedene Cyberattacken umfassen. Den- noch werden dieIn den letzten Jahrzehnten wurde Cybersicherheit zu einem immer wichtigeren Thema. Allein zwischen 2019 und 2011 stiegen die Verluste durch Cyberattacken in den Vereinigten Staaten um 6217%. Gleichzeitig wurden die Angriffe nicht nur intensiver, sondern auch immer vielseitiger und facettenreicher. Cybersicherheit ist zu einem allgegenwärtigen Thema geworden. Heute benötigen Dienstleistungsanbieter ausgefeilte und umfassende Sicherheitsinfrastrukturen, die viele Sicherheitsfunktionen für verschiedene Cyberattacken umfassen. Den- noch werden die Angriffe immer heftiger, so dass diese Infrastrukturen nicht mehr mithalten können. Ein einfaches Scale-Up ist nicht mehr ausreichend. Um dieser Herausforderung zu begegnen, schlug die Cloud Security Alliance (CSA) in einem Whitepaper mehrere Arbeitspakete für Sicherheitsinfrastruk turen vor, die die Möglichkeiten des Software-definierten Netzwerks (SDN) und der Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) nutzen. Sicherheitsfunktionen erfordern einen anspruchsvolleren Modellierungsansatz als normale Netzwerkfunktionen. Vor allem die Eigenschaft, als bösartig erachtete Pakete fallen zu lassen, hat erhebliche Auswirkungen auf Security Service Function Chains (SSFCs) – Dienstketten, die aus mehreren Sicherheitsfunktionen zum Schutz vor mehreren Angriffsvektoren bestehen. Bei einem Angriff beeinflusst die Reihenfolge dieser Ketten je nach Angriffstyp die Gesamtsystemleistung. Leider ist es schwierig, die Angriffszusammensetzung zur Designzeit vorherzusagen. Daher plädieren wir für eine dynamische, angriffsbewusste Neuordnung der SSFC. Außerdem befassen wir uns mit den Problemen der mangelnden Integration zwischen Sicherheitsfunktionen und der umgebenden Netzwerkinfrastruktur, der unzureichenden Nutzung der kurzfristigen CPU-Frequenzverstärkung und des Mangels an Intrusion Detection and Prevention Systems (IDPS) zur Abwehr von Datenbank-Lösegeldangriffen. Bisherige Arbeiten konzentrieren sich auf die Charakterisierung der Leistungsfähigkeit von Sicherheitsfunktionen und deren Verhalten bei Überlastung ohne Berücksichtigung der umgebenden Infrastruktur. Andere Arbeiten zielen darauf ab, Sicherheitsfunktionen unter Verwendung von Merkmalen der Netzwerkinfrastruktur zu ersetzen, berücksichtigen aber nicht die Integration von Sicherheitsfunktionen innerhalb des Netzwerks. Weitere Publikationen befassen sich mit der Verwendung von SDN für die Sicherheit oder mit dem Umgang mit neuen, durch SDN eingeführten Schwachstellen. Sie berücksichtigen jedoch nicht die Leistung von Sicherheitsfunktionen. Die NFV-Domäne ist ein beliebtes Forschungsgebiet, das sich mit Frameworks, Benchmarking-Methoden, der Kombination mit SDN und der Implementierung von Sicherheitsfunktionen als Virtualized Network Functions (VNFs) befasst. Die Forschung in diesem Bereich brachte das Konzept der Service-Funktionsketten (SFCs) hervor, die mehrere Netzwerkfunktionen nacheinander verketten. Dennoch berücksichtigen sie noch immer nicht die Besonderheiten von Sicherheitsfunktionen. Zu diesem Zweck schlägt das bereits erwähnte CSA-Whitepaper viele wertvolle Ideen vor, lässt aber deren Realisierung anderen offen. In dieser Arbeit werden Lösungen zur Steigerung der Leistung einzelner Sicherheitsfunktionen mittels SDN, Performance Engineering, Modellierung und ein Rahmenwerk für die angriffsbewusste SSFC-Neuordnung, eine Lösung zur besseren Nutzung der CPU-Frequenzsteigerung und ein IDPS gegen Datenbank-Lösegeld. Im Einzelnen sind die sechs Hauptbeiträge dieser Arbeit: • Wir stellen Ansätze zur dynamischen Umgehung von Intrusion-Detection-Systemen (IDS) vor, um deren Leistung zu erhöhen, ohne das Sicherheitsniveau zu senken. Zu diesem Zweck entwickeln und implementieren wir drei SDN-basierte Ansätze (zwei dynamische und einen statischen). Wir evaluieren sie hinsichtlich Sicherheit und Leistung und zeigen, dass alle Ansätze die Leistung im Vergleich zu einem Inline-IDS ohne signifikante Sicherheitsdefizite signifikant steigern. Wir zeigen ferner, dass die Verwendung von Software-Switches die Leistung der dynamischen Ansätze weiter steigern kann, bis zu einem Punkt, an dem sie bei der Verwendung des IDS etwaige Durchsatznachteile beseitigen können. • Wir entwerfen ein DDoS-Schutzsystem (DPS) gegen TCP-SYN-Flutangriffe in Form eines VNF, das innerhalb eines SDN-fähigen Netzwerks funktioniert. Diese Lösung eliminiert bekannte Skalierbarkeits-und Leistungsnachteile bestehender Lösungen für diesen Angriffstyp. Dann bewerten wir diese Lösung und zeigen, dass sie den Verbindungsaufbau korrekt handhabt, und präsentieren Lösungen für ein beobachtetes Problem. Als nächstes evaluieren wir die Leistung und zeigen, dass unsere Lösung die Leistung bis zum Dreifachen erhöht. Durch Parallelisierung und Parameterabstimmung werden weitere 76% der Leistung erzielt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse diskutieren wir optimale Einsatzstrategien. • Wir stellen die Idee der angriffsbewussten Neuordnung des SSFC vor und erläutern deren Auswirkungen anhand eines theoretischen Szenarios. Dann erörtern wir die erforderlichen Informationen zur Durchführung dieses Prozesses. Wir validieren unsere Behauptung von der Bedeutung der SSFC-Ordnung, indem wir das Verhalten einzelner Sicherheitsfunktionen und SSFCs analysieren. Aus den Ergebnissen schließen wir auf eine massive Auswirkung auf die Leistung bis zu drei Größenordnungen, und wir finden widersprüchliche optimale Aufträge für unterschiedliche Arbeitsbelastungen. Damit beweisen wir die Notwendigkeit einer dynamischen Neuordnung. Schließlich entwickeln wir ein Modell für den SSFC hinsichtlich der Verkehrszusammensetzung und des Ressourcenbedarfs. Dazu klassifizieren wir den Datenverkehr in mehrere Klassen und modellieren die Auswirkungen einzelner Sicherheitsfunktionen auf den Datenverkehr und die von ihnen erzeugten Ressourcenanforderungen als Funktionen des eingehenden Netzwerkverkehrs. Auf der Grundlage unseres Modells schlagen wir drei Ansätze zur Berechnung der gewünschten Reihenfolge für die Neuordnung vor. Auf der Grundlage dieses Wissens implementieren wir einen Rahmen für die angriffsbewusste SSFC-Neuordnung. Das Rahmenwerk platziert alle Sicherheitsfunktionen innerhalb eines SDN-fähigen Netzwerks und ordnet sie mit Hilfe von SDN-Flüssen neu an. Unsere Auswertung zeigt, dass das Rahmenwerk alle Routen wie gewünscht durchsetzen kann. Es passt sich allen Angriffen korrekt an und kehrt nach Beendigung der Angriffe in den ursprünglichen Zustand zurück. Wir finden mögliche Sicherheitsprobleme zum Zeitpunkt der Neuordnung und präsentieren Lösungen zu deren Beseitigung. Als Nächstes entwerfen und implementieren wir einen Ansatz zum Lastausgleich von Servern hinsichtlich ihrer Fähigkeit, in einen Zustand der Frequenzerhöhung der Zentraleinheit (CPU) zu gehen. Zu diesem Zweck sammelt der Ansatz Temperaturinformationen von verfügbaren Hosts und platziert den Dienst auf dem Host, der den verstärkten Modus am längsten erreichen kann. Wir evaluieren diesen Ansatz und zeigen seine Funktionalität auf. Für Hochlastszenarien erhöht der Ansatz die Gesamtleistung und steigert die Leistung pro Watt. Noch bessere Ergebnisse zeigen sich bei Niedriglast-Workloads, wo sich nicht nur alle Leistungsmetriken verbessern, sondern auch die Temperaturen und der Gesamtstromverbrauch sinken. • Zuletzt entwerfen wir ein IDPS, das vor Lösegeld-Angriffen auf Datenbanken schützt, die mehrere Abfragen umfassen, um ihr Ziel zu erreichen. Unsere Lösung modelliert diese Angriffe mit einem Colored Petri Net (CPN). Eine Proof-of-Concept-Implementierung zeigt, dass unser Ansatz in der Lage ist, die beobachteten Angriffe zu erkennen, ohne für gutartige Szenarien falsch positive Ergebnisse zu erzeugen. Darüber hinaus erzeugt un sere Lösung nur eine geringe Auswirkung auf die Leistung. Unsere Beiträge können dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit von Sicherheitsinfrastrukturen zu erhöhen. Wir sehen vielfältige Anwendungsbereiche, von Rechenzentrumsbetreibern über Software- und Hardwareentwickler bis hin zu Sicherheits- und Leistungsforschern. Die meisten der oben aufgeführten Beiträge fanden in mehreren Forschungspublikationen Verwendung. Was die zukünftige Arbeit betrifft, so sehen wir die Notwendigkeit, bessere SDN-fähige Sicherheitsfunktionen und SSFC-Neuordnung in Rechenzentrumsnetzwerke zu integrieren. Künftige SSFC sollten zwischen verschiedenen Verkehrsarten unterscheiden, und Sicherheitsrahmen sollten automatisch lernende Modelle für Sicherheitsfunktionen unterstützen. Wir sehen den Bedarf, bei der Betrachtung von SSFCs die Energieeffizienz zu berücksichtigen und bei der Entwicklung von Leistungsmodellen sowie Platzierungs-, Skalierungs- und Bereitstellungsstrategien CPU-verstärkende Technologien in Betracht zu ziehen. Schließlich schlagen wir für eine schnellere Anpassung an die jüngsten Lösegeld-Angriffe maschinengestütztes Lernen für Datenbank-IDPS-Signaturen vor.…