Novel architectures and strategies for security offloading

Internet has become an indispensable and powerful tool in our modern society. Its ubiquitousness, pervasiveness and applicability have fostered paradigm changes around many aspects of our lives. This phenomena has positioned the network and its services as fundamental assets over which we rely and trust. However, Internet is far from being perfect. It has considerable security issues and vulnerabilities that jeopardize its main core functionalities with negative impact over its players. Furthermore, these vulnerabilities¿ complexities have been amplified along with the evolution of Internet user mobility. In general, Internet security includes both security for the correct network operation and security for the network users and endpoint devices. The former involves the challenges around the Internet core control and management vulnerabilities, while the latter encompasses security vulnerabilities over end users and endpoint devices. Similarly, Internet mobility poses major security challenges ranging from routing complications, connectivity disruptions and lack of global authentication and authorization. The purpose of this thesis is to present the design of novel architectures and strategies for improving Internet security in a non-disruptive manner. Our novel security proposals follow a protection offloading approach. The motives behind this paradigm target the further enhancement of the security protection while minimizing the intrusiveness and disturbance over the Internet routing protocols, its players and users. To accomplish such level of transparency, the envisioned solutions leverage on well-known technologies, namely, Software Defined Networks, Network Function Virtualization and Fog Computing. From the Internet core building blocks, we focus on the vulnerabilities of two key routing protocols that play a fundamental role in the present and the future of the Internet, i.e., the Border Gateway Protocol (BGP) and the Locator-Identifier Split Protocol (LISP). To this purpose, we first investigate current BGP vulnerabilities and countermeasures with emphasis in an unresolved security issue defined as Route Leaks. Therein, we discuss the reasons why different BGP security proposals have failed to be adopted, and the necessity to propose innovative solutions that minimize the impact over the already deployed routing solution. To this end, we propose pragmatic security methodologies to offload the protection with the following advantages: no changes to the BGP protocol, neither dependency on third party information nor on third party security infrastructure, and self-beneficial. Similarly, we research the current LISP vulnerabilities with emphasis on its control plane and mobility support. We leverage its by-design separation of control and data planes to propose an enhanced location-identifier registration process of end point identifiers. This proposal improves the mobility of end users with regards on securing a dynamic traffic steering over the Internet. On the other hand, from the end user and devices perspective we research new paradigms and architectures with the aim of enhancing their protection in a more controllable and consolidated manner. To this end, we propose a new paradigm which shifts the device-centric protection paradigm toward a user-centric protection. Our proposal focus on the decoupling or extending of the security protection from the end devices toward the network edge. It seeks the homogenization of the enforced protection per user independently of the device utilized. We further investigate this paradigm in a mobility user scenario. Similarly, we extend this proposed paradigm to the IoT realm and its intrinsic security challenges. Therein, we propose an alternative to protect both the things, and the services that leverage from them by consolidating the security at the network edge. We validate our proposal by providing experimental results from prof-of-concepts implementations.Internet se ha convertido en una poderosa e indispensable herramienta para nuestra sociedad moderna. Su omnipresencia y aplicabilidad han promovido grandes cambios en diferentes aspectos de nuestras vidas. Este fenómeno ha posicionado a la red y sus servicios como activos fundamentales sobre los que contamos y confiamos. Sin embargo, Internet está lejos de ser perfecto. Tiene considerables problemas de seguridad y vulnerabilidades que ponen en peligro sus principales funcionalidades. Además, las complejidades de estas vulnerabilidades se han ampliado junto con la evolución de la movilidad de usuarios de Internet y su limitado soporte. La seguridad de Internet incluye tanto la seguridad para el correcto funcionamiento de la red como la seguridad para los usuarios y sus dispositivos. El primero implica los desafíos relacionados con las vulnerabilidades de control y gestión de la infraestructura central de Internet, mientras que el segundo abarca las vulnerabilidades de seguridad sobre los usuarios finales y sus dispositivos. Del mismo modo, la movilidad en Internet plantea importantes desafíos de seguridad que van desde las complicaciones de enrutamiento, interrupciones de la conectividad y falta de autenticación y autorización globales. El propósito de esta tesis es presentar el diseño de nuevas arquitecturas y estrategias para mejorar la seguridad de Internet de una manera no perturbadora. Nuestras propuestas de seguridad siguen un enfoque de desacople de la protección. Los motivos detrás de este paradigma apuntan a la mejora adicional de la seguridad mientras que minimizan la intrusividad y la perturbación sobre los protocolos de enrutamiento de Internet, sus actores y usuarios. Para lograr este nivel de transparencia, las soluciones previstas aprovechan nuevas tecnologías, como redes definidas por software (SDN), virtualización de funciones de red (VNF) y computación en niebla. Desde la perspectiva central de Internet, nos centramos en las vulnerabilidades de dos protocolos de enrutamiento clave que desempeñan un papel fundamental en el presente y el futuro de Internet, el Protocolo de Puerta de Enlace Fronterizo (BGP) y el Protocolo de Separación Identificador/Localizador (LISP ). Para ello, primero investigamos las vulnerabilidades y medidas para contrarrestar un problema no resuelto en BGP definido como Route Leaks. Proponemos metodologías pragmáticas de seguridad para desacoplar la protección con las siguientes ventajas: no cambios en el protocolo BGP, cero dependencia en la información de terceros, ni de infraestructura de seguridad de terceros, y de beneficio propio. Del mismo modo, investigamos las vulnerabilidades actuales sobre LISP con énfasis en su plano de control y soporte de movilidad. Aprovechamos la separacçón de sus planos de control y de datos para proponer un proceso mejorado de registro de identificadores de ubicación y punto final, validando de forma segura sus respectivas autorizaciones. Esta propuesta mejora la movilidad de los usuarios finales con respecto a segurar un enrutamiento dinámico del tráfico a través de Internet. En paralelo, desde el punto de vista de usuarios finales y dispositivos investigamos nuevos paradigmas y arquitecturas con el objetivo de mejorar su protección de forma controlable y consolidada. Con este fin, proponemos un nuevo paradigma hacia una protección centrada en el usuario. Nuestra propuesta se centra en el desacoplamiento o ampliación de la protección de seguridad de los dispositivos finales hacia el borde de la red. La misma busca la homogeneización de la protección del usuario independientemente del dispositivo utilizado. Además, investigamos este paradigma en un escenario con movilidad. Validamos nuestra propuesta proporcionando resultados experimentales obtenidos de diferentes experimentos y pruebas de concepto implementados

Novel architectures and strategies for security offloading

Internet has become an indispensable and powerful tool in our modern society. Its ubiquitousness, pervasiveness and applicability have fostered paradigm changes around many aspects of our lives. This phenomena has positioned the network and its services as fundamental assets over which we rely and trust. However, Internet is far from being perfect. It has considerable security issues and vulnerabilities that jeopardize its main core functionalities with negative impact over its players. Furthermore, these vulnerabilities¿ complexities have been amplified along with the evolution of Internet user mobility. In general, Internet security includes both security for the correct network operation and security for the network users and endpoint devices. The former involves the challenges around the Internet core control and management vulnerabilities, while the latter encompasses security vulnerabilities over end users and endpoint devices. Similarly, Internet mobility poses major security challenges ranging from routing complications, connectivity disruptions and lack of global authentication and authorization. The purpose of this thesis is to present the design of novel architectures and strategies for improving Internet security in a non-disruptive manner. Our novel security proposals follow a protection offloading approach. The motives behind this paradigm target the further enhancement of the security protection while minimizing the intrusiveness and disturbance over the Internet routing protocols, its players and users. To accomplish such level of transparency, the envisioned solutions leverage on well-known technologies, namely, Software Defined Networks, Network Function Virtualization and Fog Computing. From the Internet core building blocks, we focus on the vulnerabilities of two key routing protocols that play a fundamental role in the present and the future of the Internet, i.e., the Border Gateway Protocol (BGP) and the Locator-Identifier Split Protocol (LISP). To this purpose, we first investigate current BGP vulnerabilities and countermeasures with emphasis in an unresolved security issue defined as Route Leaks. Therein, we discuss the reasons why different BGP security proposals have failed to be adopted, and the necessity to propose innovative solutions that minimize the impact over the already deployed routing solution. To this end, we propose pragmatic security methodologies to offload the protection with the following advantages: no changes to the BGP protocol, neither dependency on third party information nor on third party security infrastructure, and self-beneficial. Similarly, we research the current LISP vulnerabilities with emphasis on its control plane and mobility support. We leverage its by-design separation of control and data planes to propose an enhanced location-identifier registration process of end point identifiers. This proposal improves the mobility of end users with regards on securing a dynamic traffic steering over the Internet. On the other hand, from the end user and devices perspective we research new paradigms and architectures with the aim of enhancing their protection in a more controllable and consolidated manner. To this end, we propose a new paradigm which shifts the device-centric protection paradigm toward a user-centric protection. Our proposal focus on the decoupling or extending of the security protection from the end devices toward the network edge. It seeks the homogenization of the enforced protection per user independently of the device utilized. We further investigate this paradigm in a mobility user scenario. Similarly, we extend this proposed paradigm to the IoT realm and its intrinsic security challenges. Therein, we propose an alternative to protect both the things, and the services that leverage from them by consolidating the security at the network edge. We validate our proposal by providing experimental results from prof-of-concepts implementations.Internet se ha convertido en una poderosa e indispensable herramienta para nuestra sociedad moderna. Su omnipresencia y aplicabilidad han promovido grandes cambios en diferentes aspectos de nuestras vidas. Este fenómeno ha posicionado a la red y sus servicios como activos fundamentales sobre los que contamos y confiamos. Sin embargo, Internet está lejos de ser perfecto. Tiene considerables problemas de seguridad y vulnerabilidades que ponen en peligro sus principales funcionalidades. Además, las complejidades de estas vulnerabilidades se han ampliado junto con la evolución de la movilidad de usuarios de Internet y su limitado soporte. La seguridad de Internet incluye tanto la seguridad para el correcto funcionamiento de la red como la seguridad para los usuarios y sus dispositivos. El primero implica los desafíos relacionados con las vulnerabilidades de control y gestión de la infraestructura central de Internet, mientras que el segundo abarca las vulnerabilidades de seguridad sobre los usuarios finales y sus dispositivos. Del mismo modo, la movilidad en Internet plantea importantes desafíos de seguridad que van desde las complicaciones de enrutamiento, interrupciones de la conectividad y falta de autenticación y autorización globales. El propósito de esta tesis es presentar el diseño de nuevas arquitecturas y estrategias para mejorar la seguridad de Internet de una manera no perturbadora. Nuestras propuestas de seguridad siguen un enfoque de desacople de la protección. Los motivos detrás de este paradigma apuntan a la mejora adicional de la seguridad mientras que minimizan la intrusividad y la perturbación sobre los protocolos de enrutamiento de Internet, sus actores y usuarios. Para lograr este nivel de transparencia, las soluciones previstas aprovechan nuevas tecnologías, como redes definidas por software (SDN), virtualización de funciones de red (VNF) y computación en niebla. Desde la perspectiva central de Internet, nos centramos en las vulnerabilidades de dos protocolos de enrutamiento clave que desempeñan un papel fundamental en el presente y el futuro de Internet, el Protocolo de Puerta de Enlace Fronterizo (BGP) y el Protocolo de Separación Identificador/Localizador (LISP ). Para ello, primero investigamos las vulnerabilidades y medidas para contrarrestar un problema no resuelto en BGP definido como Route Leaks. Proponemos metodologías pragmáticas de seguridad para desacoplar la protección con las siguientes ventajas: no cambios en el protocolo BGP, cero dependencia en la información de terceros, ni de infraestructura de seguridad de terceros, y de beneficio propio. Del mismo modo, investigamos las vulnerabilidades actuales sobre LISP con énfasis en su plano de control y soporte de movilidad. Aprovechamos la separacçón de sus planos de control y de datos para proponer un proceso mejorado de registro de identificadores de ubicación y punto final, validando de forma segura sus respectivas autorizaciones. Esta propuesta mejora la movilidad de los usuarios finales con respecto a segurar un enrutamiento dinámico del tráfico a través de Internet. En paralelo, desde el punto de vista de usuarios finales y dispositivos investigamos nuevos paradigmas y arquitecturas con el objetivo de mejorar su protección de forma controlable y consolidada. Con este fin, proponemos un nuevo paradigma hacia una protección centrada en el usuario. Nuestra propuesta se centra en el desacoplamiento o ampliación de la protección de seguridad de los dispositivos finales hacia el borde de la red. La misma busca la homogeneización de la protección del usuario independientemente del dispositivo utilizado. Además, investigamos este paradigma en un escenario con movilidad. Validamos nuestra propuesta proporcionando resultados experimentales obtenidos de diferentes experimentos y pruebas de concepto implementados.Postprint (published version

IoT-HASS: A Framework For Protecting Smart Home Environment

While many solutions have been proposed for smart home security, the problem that no single solution fully protects the smart home environment still exists. In this research we propose a security framework to protect the smart home environment. The proposed framework includes three engines that complement each other to protect the smart home IoT devices. The first engine is an IDS/IPS module that monitors all traffic in the home network and then detects, alerts users, and/or blocks packets using anomaly-based detection. The second engine works as a device management module that scans and verifies IoT devices in the home network, allowing the user to flag any suspect device. The third engine works as a privacy monitoring module that monitors and detects information transmitted in plaintext and alerts the user if such information is detected. We call the proposed system IoT-Home Advanced Security System or IoT-HASS for short. IoT-HASS was developed using Python 3 and can be implemented in two modes of operation. The in-line mode allows the IoT-HASS to be installed in-line with the traffic inside a Raspberry Pi or a Router. In the in-line mode IoT-HASS acts as an IPS that can detect and block threats as well as alert the user. The second mode is the passive mode where IoT-HASS in not installed in-line with the traffic and can act as an IDS that passively monitors the traffic, detecting threats and alerting the user, but not blocking the attack. IoT-HASS was evaluated via four testing scenarios. It demonstrated superior performance in all testing scenarios in detecting attacks such as DDoS attacks, Brute Force Attacks, and Cross Site Scripting (XSS) Attacks. In each of the four test scenarios, we also tested the device management functionality, which we found to successfully scan and display IoT devices for the homeowner. The extensive evaluating and testing of IoT-HASS showed that IoT-HASS can successfully run in a small device such as a Raspberry Pi, and thus, it will most likely run in an embedded device as an IoT device. Our future research will concentrate on strengthening the current features of IoT-HASS to include additional functionalities

Characterizing the IoT ecosystem at scale

Internet of Things (IoT) devices are extremely popular with home, business, and industrial users. To provide their services, they typically rely on a backend server in- frastructure on the Internet, which collectively form the IoT Ecosystem. This ecosys- tem is rapidly growing and offers users an increasing number of services. It also has been a source and target of significant security and privacy risks. One notable exam- ple is the recent large-scale coordinated global attacks, like Mirai, which disrupted large service providers. Thus, characterizing this ecosystem yields insights that help end-users, network operators, policymakers, and researchers better understand it, obtain a detailed view, and keep track of its evolution. In addition, they can use these insights to inform their decision-making process for mitigating this ecosystem’s security and privacy risks. In this dissertation, we characterize the IoT ecosystem at scale by (i) detecting the IoT devices in the wild, (ii) conducting a case study to measure how deployed IoT devices can affect users’ privacy, and (iii) detecting and measuring the IoT backend infrastructure. To conduct our studies, we collaborated with a large European Internet Service Provider (ISP) and a major European Internet eXchange Point (IXP). They rou- tinely collect large volumes of passive, sampled data, e.g., NetFlow and IPFIX, for their operational purposes. These data sources help providers obtain insights about their networks, and we used them to characterize the IoT ecosystem at scale. We start with IoT devices and study how to track and trace their activity in the wild. We developed and evaluated a scalable methodology to accurately detect and monitor IoT devices with limited, sparsely sampled data in the ISP and IXP. Next, we conduct a case study to measure how a myriad of deployed devices can affect the privacy of ISP subscribers. Unfortunately, we found that the privacy of a substantial fraction of IPv6 end-users is at risk. We noticed that a single device at home that encodes its MAC address into the IPv6 address could be utilized as a tracking identifier for the entire end-user prefix—even if other devices use IPv6 privacy extensions. Our results showed that IoT devices contribute the most to this privacy leakage. Finally, we focus on the backend server infrastructure and propose a methodology to identify and locate IoT backend servers operated by cloud services and IoT vendors. We analyzed their IoT traffic patterns as observed in the ISP. Our analysis sheds light on their diverse operational and deployment strategies. The need for issuing a priori unknown network-wide queries against large volumes of network flow capture data, which we used in our studies, motivated us to develop Flowyager. It is a system built on top of existing traffic capture utilities, and it relies on flow summarization techniques to reduce (i) the storage and transfer cost of flow captures and (ii) query response time. We deployed a prototype of Flowyager at both the IXP and ISP.Internet-of-Things-Geräte (IoT) sind aus vielen Haushalten, Büroräumen und In- dustrieanlagen nicht mehr wegzudenken. Um ihre Dienste zu erbringen, nutzen IoT- Geräte typischerweise auf eine Backend-Server-Infrastruktur im Internet, welche als Gesamtheit das IoT-Ökosystem bildet. Dieses Ökosystem wächst rapide an und bie- tet den Nutzern immer mehr Dienste an. Das IoT-Ökosystem ist jedoch sowohl eine Quelle als auch ein Ziel von signifikanten Risiken für die Sicherheit und Privatsphäre. Ein bemerkenswertes Beispiel sind die jüngsten groß angelegten, koordinierten globa- len Angriffe wie Mirai, durch die große Diensteanbieter gestört haben. Deshalb ist es wichtig, dieses Ökosystem zu charakterisieren, eine ganzheitliche Sicht zu bekommen und die Entwicklung zu verfolgen, damit Forscher, Entscheidungsträger, Endnutzer und Netzwerkbetreibern Einblicke und ein besseres Verständnis erlangen. Außerdem können alle Teilnehmer des Ökosystems diese Erkenntnisse nutzen, um ihre Entschei- dungsprozesse zur Verhinderung von Sicherheits- und Privatsphärerisiken zu verbes- sern. In dieser Dissertation charakterisieren wir die Gesamtheit des IoT-Ökosystems indem wir (i) IoT-Geräte im Internet detektieren, (ii) eine Fallstudie zum Einfluss von benutzten IoT-Geräten auf die Privatsphäre von Nutzern durchführen und (iii) die IoT-Backend-Infrastruktur aufdecken und vermessen. Um unsere Studien durchzuführen, arbeiten wir mit einem großen europäischen Internet- Service-Provider (ISP) und einem großen europäischen Internet-Exchange-Point (IXP) zusammen. Diese sammeln routinemäßig für operative Zwecke große Mengen an pas- siven gesampelten Daten (z.B. als NetFlow oder IPFIX). Diese Datenquellen helfen Netzwerkbetreibern Einblicke in ihre Netzwerke zu erlangen und wir verwendeten sie, um das IoT-Ökosystem ganzheitlich zu charakterisieren. Wir beginnen unsere Analysen mit IoT-Geräten und untersuchen, wie diese im Inter- net aufgespürt und verfolgt werden können. Dazu entwickelten und evaluierten wir eine skalierbare Methodik, um IoT-Geräte mit Hilfe von eingeschränkten gesampelten Daten des ISPs und IXPs präzise erkennen und beobachten können. Als Nächstes führen wir eine Fallstudie durch, in der wir messen, wie eine Unzahl von eingesetzten Geräten die Privatsphäre von ISP-Nutzern beeinflussen kann. Lei- der fanden wir heraus, dass die Privatsphäre eines substantiellen Teils von IPv6- Endnutzern bedroht ist. Wir entdeckten, dass bereits ein einzelnes Gerät im Haus, welches seine MAC-Adresse in die IPv6-Adresse kodiert, als Tracking-Identifikator für das gesamte Endnutzer-Präfix missbraucht werden kann — auch wenn andere Geräte IPv6-Privacy-Extensions verwenden. Unsere Ergebnisse zeigten, dass IoT-Geräte den Großteil dieses Privatsphäre-Verlusts verursachen. Abschließend fokussieren wir uns auf die Backend-Server-Infrastruktur und wir schla- gen eine Methodik zur Identifizierung und Lokalisierung von IoT-Backend-Servern vor, welche von Cloud-Diensten und IoT-Herstellern betrieben wird. Wir analysier- ten Muster im IoT-Verkehr, der vom ISP beobachtet wird. Unsere Analyse gibt Auf- schluss über die unterschiedlichen Strategien, wie IoT-Backend-Server betrieben und eingesetzt werden. Die Notwendigkeit a-priori unbekannte netzwerkweite Anfragen an große Mengen von Netzwerk-Flow-Daten zu stellen, welche wir in in unseren Studien verwenden, moti- vierte uns zur Entwicklung von Flowyager. Dies ist ein auf bestehenden Netzwerkverkehrs- Tools aufbauendes System und es stützt sich auf die Zusammenfassung von Verkehrs- flüssen, um (i) die Kosten für Archivierung und Transfer von Flow-Daten und (ii) die Antwortzeit von Anfragen zu reduzieren. Wir setzten einen Prototypen von Flowyager sowohl im IXP als auch im ISP ein