VirtuWind – Security in a Virtual and Programmable Industrial Network Prototype Deployed in an operational Wind Park

Ioannis Askoxylakis, Nikolaos Petroulakis, (FORTH), Vivek Kulkami and Florian Zeiger (Siemens

VirtuWind: Virtual and Programmable Industrial Network Prototype Deployed in Operational Wind Park

With anticipated exponential growth of connected devices, future industrial networks require an open solutions architecture facilitated by standards and a strong ecosystem.VirtuWind aims to develop and demonstrate an SDN and NFV ecosystem, based on an open, modular and secure framework.A prototype of the framework for intra-domain and inter-domain scenarios will be showcased in real wind parks,as a representative use case of industrial networks. Validate the economic viability of the demonstrated solution is paramount for VirtuWind. This paper details this vision and explains steps forward

VirtuWind: Virtual and programmable industrial network prototype deployed in operational wind park.

With anticipated exponential growth of connected devices, future industrial networks require an open solutions architecture facilitated by standards and a strong ecosystem. Such solutions should also deal with range of quality of service requirements imposed by industrial networks. Preserving strict quality of service is particularly challenging when services pass across domains of multiple provides. VirtuWind aims to develop and demonstrate a Software Defined Networking and Network Function Virtualization ecosystem, based on an open, modular and secure framework to address stringent requirements of the industrial networks. A prototype of the framework for intra-domain and inter-domain scenarios will be showcased in real Wind Parks, as a representative use case of industrial networks. This paper details this vision and explains steps forward

Reactive Security for SDN/NFV-enabled Industrial Networks leveraging Service Function Chaining

The innovative application of 5G core technologies, namely Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV), can help reduce capital and operational expenditures in industrial networks. Nevertheless, SDN expands the attack surface of the communication infrastructure, thus necessitating the introduction of additional security mechanisms. These major changes could not leave the industrial environment unaffected, with smart industrial deployments gradually becoming a reality; a trend that is often referred to as the 4th industrial revolution or Industry 4.0. A wind park is a good example of an industrial application relying on a network with strict performance, security, and reliability requirements, and was chosen as a representative example of industrial systems. This work highlights the benefit of leveraging the flexibility of SDN/NFV-enabled networks to deploy enhanced, reactive security mechanisms for the protection of the industrial network, via the use of Service Function Chaining. Moreover, the implementation of a proof-of-concept reactive security framework for an industrial-grade wind park network is presented, along with a performance evaluation of the proposed approach. The framework is equipped with SDN and Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) honeypots, modelled on and deployable to the wind park, allowing continuous monitoring of the industrial network and detailed analysis of potential attacks, thus isolating attackers and enabling the assessment of their level of sophistication. Moreover, the applicability of the proposed solutions is assessed in the context of the specific industrial application, based on the analysis of the network characteristics and requirements of an actual, operating wind park

A pattern-based framework for the design of secure and dependable SDN/NFV-enabled networks

As the world becomes an interconnected network where objects and humans interact, cyber and physical networks appear to play an important role in smart ecosystems due to their increasing use on critical infrastructure and smart cities. Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualisation (NFV) are a promising combination for programmable connectivity, rapid service provisioning and service chaining as they offer the necessary end-to-end optimisations. However, with the actual exponential growth of connected devices, future networks, such as SDN and NFV, require open architectures, facilitated by standards and a strong ecosystem.In this thesis, a model-based approach is proposed to support the design and verification of secure and dependable SDN/NFV-enabled networks. The model is based on the development of a pattern-based approach to design executable patterns as solutions for reusable designs and interactions of objects, encoded in a rule based reasoning system, able to guarantee security and dependability (S&D) properties in SDN/NFV enabled networks. To execute S&D patterns, a pattern based framework is implemented for the insertion of patterns at design and at runtime level. The developed pattern framework highlights also the benefit of leveraging the flexibility of SDN/NFV-enabled networks to deploy enhanced reactive security mechanisms for the protection of the industrial network via the use of service function chaining (SFC). To prove the importance of this approach and the functionality of the pattern framework, different pattern instances are implemented to guarantee S&D in network infrastructures. The developed design patterns are able to design network topologies, guarantee network properties and offer security service provisioning and chaining. Finally, in order to evaluate the developed patterns in the pattern framework, three different use cases are described, where a number of usage scenarios are deployed and evaluated experimentally

Contributing to the pathway towards 5G experimentation with an SDN-controlled network box

Καθώς η απαίτηση σε ευρυζωνικές υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών αυξάνεται ραγδαία, τα υπάρχοντα δίκτυα κινητών επικοινωνιών πλησιάζουν τα όριά τους κάνοντας επιτακτική την ανάγκη εξέλιξής τους η οποία θα επέλθει με την τεχνολογική άφιξη της επόμενης γενιάς κινητών επικοινωνιών, ευρέως γνωστής ως 5G. Το 5G μεταφέρει όλες εκείνες τις δυνατότητες οι οποίες είναι απαραίτητες για να καλυφθούν οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες σε ευρυζωνικές υπηρεσίες, να υποστηρίξουν το Internet of Things καθώς και να ενοποιήσουν ετερογενείς υπηρεσίες σε διαφορετικές βιομηχανίες. Η παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει να παρουσιάσει το “Network in a box”, ένα καινοτόμο εργαλείο που αναπτύξαμε στο εργαστήριο, το οποίο βασίζεται επάνω στους θεμέλιους λίθους του 5G, το SDN και το NFV. Με το SDN να είναι η νέα προσέγγιση στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών, ο έλεγχος διαχωρίζεται από τα δεδομένα παρέχοντας τη δυνατότητα οποιεσδήποτε αποφάσεις ελέγχου, να λαμβάνονται κεντρικά, μετατρέποντας έτσι τις κλασικές δικτυακές συσκευές σε απλά προωθητικά στοιχεία του δικτύου. Η συγκεκριμένη διάταξη μιμείται ένα πραγματικό δίκτυο, το οποίο διαθέτει δυνατότητες αυτο-οργάνωσης και αυτο-βελτίωσης, προσομοιώνοντας τη λειτουργία του 5G δικτύου. Το συγκεκριμένο εργαλείο είναι επίσης ικανό να παράσχει KPI μετρικές του 5G δικτύου κάτω από πραγματικές συνθήκες ενόσω αληθινές δικτυακές συσκευές είναι συνδεδεμένες σε αυτό. Η δομή της παρούσας διπλωματικής εργασίας αναλύεται σε πέντε κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζει τις προκλήσεις που σύντομα θα κληθούν να αντιμετωπίσουν τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών και πώς αυτές μπορούν να καλυφθούν με την τεχνολογία του 5G. Το δεύτερο κεφάλαιο εισάγει την τάση στην αγορά των κινητών επικοινωνιών που διαφένεται πίσω από την επερχόμενη άφιξη του 5G, αποκαλύπτοντας το επιχειρηματικό πλαίσιο για επιχειρήσεις, καταναλωτές και συνεργασίες όπως επίσης και κάποιες περιπτώσεις χρήσης που αντικατοπτρίζουν την διαρκή εξέλιξη στις ευρυζωνικές υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών. Το τρίτο κεφάλαιο εμπεριέχει μια μικρή επισκόπηση των τρέχοντων έργων πάνω στο 5G, τα οποία ξεκίνησαν υπό την αιγίδα της Ευρωπαϊκής Επιτροπής με τη συνεργασία προμηθευτών τεχνολογίας επικοινωνιών, παρόχων υπηρεσιών, μικρομεσαίων επιχειρήσεων και πανεπιστημίων. Γίνεται επίσης αναφορά στις βασικές τεχνολογίες του 5G και στις δραστηριότητες προτυποποίησής του. Προχωρώντας στο τέταρτο κεφάλαιο, περιγράφουμε σε βάθος την αρχιτεκτονική του 5G δικτύου, αναλύοντας τα SDN, NFV, MANO και εξετάζουμε πώς αυτά συνεισφέρουν στη βιωσιμότητα του δικτύου. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο εισάγουμε μια καινοτόμο ιδέα που αναπτύξαμε στο εργαστήριο δικτύων του πανεπιστημίου μας, ένα πλήρως αυτόνομο δικτυακό εργαλείο, το “Network in a box”. Παρουσιάζουμε σε βάθος πώς αυτός ο server μπορεί να εγκατασταθεί και να λειτουργήσει καθώς και τις δυνατότητές του κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του δικτύου, ενώ λαμβάνουν χώρα υποβάθμιση ποιότητας ή μη-διαθεσιμότητα στις δικτυακές ζεύξεις, παρέχοντας επίσης μετρικές από τη λειτουργία του δικτύου σε πραγματικό χρόνο.As the demand in mobile broadband is tremendously increased and the heterogeneity of the services to be covered is growing rapidly, current mobile networks are close to their limits imposing the need of an evolution which is going to be introduced by the next generation technology, the ITU IMT-2020, well known as 5G. 5G brings all those capabilities required to cover the increased mobile broadband needs, support the Internet of Things and bind heterogeneous services in different industries. This diploma thesis aims at presenting the “Network in a box”, an innovative tool we developed which is based on the key 5G principles, SDN and NFV. With Software Defined Networking (SDN) being the new approach in mobile networks, control and data plane are decoupled providing the ability to make any control related decisions centrally and transform legacy network devices to simple forwarding elements. This testbed is a portable emulated network device which is self-managed and self-optimised and can be connected between any real network devices, emulating how the 5G network will perform. This plug & play black-box testbed is also capable of providing KPI metrics of the 5G network under real circumstances when real network devices are connected to it. The structure of this diploma thesis is decomposed in five chapters. Chapter 1 presents the challenges mobile networks will shortly face due to the growing heterogeneous demands in communications towards the year 2020 and beyond and how these can be met with the upcoming 5G technology. Chapter 2 introduces the market trend behind the new era of 5G, revealing the business context for enterprises, consumers, verticals and partnerships as well as some use cases which reflect the continuous mobile broadband evolution. Chapter 3 includes a short overview of the ongoing 5G projects, initiated under the umbrella of the European Commission, with the collaboration of communications technology vendors, telecommunications operators, service providers, small and medium-sized enterprises (SMEs) and universities. There is also a reference in 5G key enabling technologies and standardisation activities as we move towards the next generation mobile networks technology. Moving forward, chapter 4 describes in detail the technological components of 5G network architecture such as SDN, NFV, MANO and examines how these 5G key enabling technologies contribute to the overall networks’ sustainability. Finally, in chapter 5 we introduce an innovative idea developed in our university’s communications network research laboratory, an autonomous emulated portable network testbed, the “Network in a box”. We present in-depth how this portable server is deployed, operates and demonstrate the way it can be connected to real network elements emulating a real 5G end-to-end customer network. Moreover, in this last chapter we present “Network in a box” capabilities under real network circumstances when link degradations or failures take place, providing also real-time network metrics

Development and Characteristics of 5G Mobile Network

Svakim danom raste broj korisnika mobilnih mreža kao i potreba za većim brzinama prijenosa podataka. Današnja 3G tehnologija brzog paketskog pristupa (engl. High Speed Packet Access – HSPA) nametnula se kao nositelj naglog širenja širokopojasnog mobilnog pristupa Internetu. Unatoč konstantnom unaprjeđenju ove tehnologije, zbog kapacitivnih ograničenja i limitiranih mogućnosti postizanja viših performansi, razvija se današnja mreža četvrte generacije (4G) poznatija pod nazivom dugoročna evolucija - LTE (engl. Long Term Evolution). Nakon nje slijedi uvođenje mreže pete generacije (5G) nakon 2020. godine. 5G mreža neće biti samo evolucija širokopojasne mreže, već će korisniku pružiti potpuno nove mogućnosti s ciljem povećanja brzine prijenosa podataka, smanjenju vremena kašnjenja (latencije), računarstva u oblaku, smanjenja potrošnje energije, Interneta svega i drugih mogućnosti. Stoga, glavni cilj ovoga rada je prikazati razvoj, osnovne karakteristike i mogućnosti 5G mreže kao iduće značajne faze u pokretnim telekomunikacijama.The number of mobile subscribers and need for higher data speeds is growing every day. Today's 3G technology of fast packet access (High Speed Packet Access – HSPA) established itself as the basis of rapid expansion of broadband mobile Internet access. Despite the constant improvement of this technology, its capacitive constraints and limited opportunities achieving higher performance are the main reasons for developing today’s fourth-generation (4G) network also known as the Long-Term Evolution (LTE). 4G is being followed by the fifth generation network (5G) which will be launched after 2020. 5G network will not only be an evolution of broadband network, it will also provide to users wide array of new opportunities such as increase of data speeds, reduction of latency and energy consumption, cloud computing services and Internet of Everything (IoE) concept. Therefore, the main focus of this paper is to show development, basic features and opportunities of 5G network as the next major step in mobile telecommunications

Development and Characteristics of 5G Mobile Network

Svakim danom raste broj korisnika mobilnih mreža kao i potreba za većim brzinama prijenosa podataka. Današnja 3G tehnologija brzog paketskog pristupa (engl. High Speed Packet Access – HSPA) nametnula se kao nositelj naglog širenja širokopojasnog mobilnog pristupa Internetu. Unatoč konstantnom unaprjeđenju ove tehnologije, zbog kapacitivnih ograničenja i limitiranih mogućnosti postizanja viših performansi, razvija se današnja mreža četvrte generacije (4G) poznatija pod nazivom dugoročna evolucija - LTE (engl. Long Term Evolution). Nakon nje slijedi uvođenje mreže pete generacije (5G) nakon 2020. godine. 5G mreža neće biti samo evolucija širokopojasne mreže, već će korisniku pružiti potpuno nove mogućnosti s ciljem povećanja brzine prijenosa podataka, smanjenju vremena kašnjenja (latencije), računarstva u oblaku, smanjenja potrošnje energije, Interneta svega i drugih mogućnosti. Stoga, glavni cilj ovoga rada je prikazati razvoj, osnovne karakteristike i mogućnosti 5G mreže kao iduće značajne faze u pokretnim telekomunikacijama.The number of mobile subscribers and need for higher data speeds is growing every day. Today's 3G technology of fast packet access (High Speed Packet Access – HSPA) established itself as the basis of rapid expansion of broadband mobile Internet access. Despite the constant improvement of this technology, its capacitive constraints and limited opportunities achieving higher performance are the main reasons for developing today’s fourth-generation (4G) network also known as the Long-Term Evolution (LTE). 4G is being followed by the fifth generation network (5G) which will be launched after 2020. 5G network will not only be an evolution of broadband network, it will also provide to users wide array of new opportunities such as increase of data speeds, reduction of latency and energy consumption, cloud computing services and Internet of Everything (IoE) concept. Therefore, the main focus of this paper is to show development, basic features and opportunities of 5G network as the next major step in mobile telecommunications

Δίκτυα Υποδομής και Τεχνολογίες Δικτύωσης για Συστήματα 5ης Γενιάς.

Η σημερινή εποχή με τις τεράστιες απαιτήσεις σε ευρος ζώνης, κινητικότητα και ταχύτητες σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, πλέον αρχίζει να μη μπορέι να εξυπηρετηθεί από τις υφιστάμενες τεχνολογίες. Ο κατακλυσμός της αγοράς από έξυπνες συσκευές, ταμπλέτες και διάφορες άλλες δικτυωμένες συσκευές δημιουργεί μεγαλύτερες απαιτήσεις από το δίκτυο. Το μεγαλύτερο φορτίο στο δίκτυο καταγράφεται, όπως είναι φυσικό από τη μεταφορά δεδομένων, όπως υψηλής ανάλυσης βίντεο, online gaming και μια πληθώρα ακόμα από υπηρεσίες οι οποίες ακόμα και εν κινήσει θα πρέπει να εξυπηρετούνται. Επίσης, και η ποιότητα και η εμπειρία της υπηρεσίας για τον χρήστη θα πρέπει να είναι άριστη ακόμα και σε πολυσύχναστα σημεία και σε ώρες αιχμής. Όπως αντιλαμβανόμαστε η μετάβαση από τα σημερινά δίκτυα στα δίκτυα πέμπτης γενιάς καθιστάται επιβεβλιμένη και γι’ αυτό το λόγο, ερευνητικές ομάδες από διάφορα πανεπιστήμια και εταιρίες τηλεπικοινωνιών έχουν αναλάβει αυτό το δύσκολο έργο, ώστε να επιτευχθούν οι απαιτήσεις και οι στόχοι των 5G δικτύων. Στην παρούσα διπλωματική, στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται αναφορά στα κίνητρα ανάπτυξης καθώς και στις απαιτήσεις των συστημάτων 5ης γενιάς δικτύων. Επίσης γίνεται αναφορά στην προτυποποίηση των συστημάτων όπως και στις παραμέτρους που πρέπει να ικανοποιηθούν και να ρυθμιστούν από τους αρμόδιους φορείς. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφορα χρηματοδοτούμενα ερευνητικά προγράμματα τα οποία στοχεύουν στην υλοποίηση των δικτύων 5ης γενιάς. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται εκτενώς οι αρχιτεκτονικές και οι τεχνολογίες που αναμένεται να χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση των 5G δικτύων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται εκείνα τα κομμάτια του δικτύου που αρχιτεκτονικά θα υλοποιούνται στα 5G δίκτυα. Επίσης δίνεται έμφαση στις ασύρματες τεχνολογίες όπου στο τέλος του κεφαλαίου, γίνεται μια σύγκριση αυτών.In this diploma, in the first chapter, reference is made to the development motivations as well as to the requirements of the 5th generation networks. Reference is also made to the standardization of the systems as well as to the parameters to be met and regulated by the competent bodies. Next, various funded research projects are presented which aim at the implementation of 5th generation networks. The second chapter analyzes extensively the architectures and technologies that are expected to be used to implement the 5G networks. The third chapter presents and analyzes those parts of the network that will be architecturally implemented in 5G networks. Also, emphasis is placed on wireless technologies where at the end of the chapter a comparison is made