IPv6校園網(wǎng)安全威脅分析和防護

沈 昀

（中國電信股份有限公司無錫分公司，無錫 214000）

0 引言

校園網(wǎng)是指在校園范圍內(nèi)，將計算機等終端以共享資源的方式連接起來，同時具備教學(xué)和信息服務(wù)等功能的通信系統(tǒng)的集合。校園網(wǎng)具有終端數(shù)量大，流動性高，終端上線峰值集中等特點。隨著校園網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展和學(xué)生攜帶終端種類的增加，目前校園網(wǎng)使用的IPv4協(xié)議，在地址數(shù)量，安全性，可管理性，移動性，健壯性上暴露出一定的缺陷。而下一代互聯(lián)網(wǎng)所使用的IPv6協(xié)議，能夠提供巨大的地址空間，豐富的安全機制，更高的轉(zhuǎn)發(fā)速率。二者結(jié)合，IPv6給校園網(wǎng)用戶提供了高速便捷網(wǎng)絡(luò)體驗的同時，也引入了新的安全隱患。

1 IPv6校園網(wǎng)安全威脅分析

按攻擊對象和攻擊類型，IPv6校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全威脅一般可分為三大類，五小類：

（1）針對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（即校園網(wǎng)路由器，交換機）的攻擊。NDP（Neighbor Discovery Protocol，鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議）表項耗盡：IPv6使用NDP協(xié)議替代原先ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議），完成鏈路層地址和網(wǎng)絡(luò)層地址映射功能，路由器為每一個IPv6終端保存NDP表項，每個表項包含終端的mac地址，IPv6地址，路由器接口，以及生存時間等信息。表項生成一般由終端的NS/NA報文觸發(fā)。由于單個用戶的IPv6地址掩碼一般為/64，其所對應(yīng)的表項需占用147573952T存儲空間（假設(shè)每個表項8Byte）。攻擊節(jié)點通過發(fā)送偽造的NS/NA報文給路由器，使得路由器被動生成并保存海量NDP表項，當(dāng)占用的存儲空間到達上限后，新終端將無法正常接入。攻擊節(jié)點甚至可僅憑本地鏈路地址機制發(fā)起攻擊，不需要網(wǎng)絡(luò)管理員分配全局單播地址。

（2）針對校園網(wǎng)其他終端節(jié)點的攻擊。DAD（Duplicate Address Detection，地址沖突檢測）欺騙：IPv6動態(tài)地址分配過程中，增加了地址的DAD檢測，該地址才能正常使用。攻擊節(jié)點監(jiān)聽并發(fā)送偽造的鄰居響應(yīng)，報文中包含正常節(jié)點的待檢測地址，導(dǎo)致DAD檢測失敗，迫使正常節(jié)點重新發(fā)起地址申請。攻擊節(jié)點借此阻止終端連入網(wǎng)絡(luò)并消耗網(wǎng)絡(luò)處理資源。

路由器欺騙：攻擊節(jié)點發(fā)送偽造的路由器通告。正常節(jié)點接收到這條通告，刷新自己的鄰居表項，并根據(jù)被欺騙的表項，將報文發(fā)送給偽裝路由器，攻擊節(jié)點借此達成中間人攻擊。

（3）針對Internet節(jié)點的攻擊。DoS（Deny of Service，拒絕服務(wù)）攻擊：在傳統(tǒng)的IPv4網(wǎng)絡(luò)下，單一節(jié)點往往只有十幾個可用的公網(wǎng)IP，發(fā)起拒絕服務(wù)攻擊需要攻擊者偽造源IP地址或者控制分布不同地點的大量傀儡機。其中源IP地址偽造可以被路由器的URPF（Unicast Reverse Path Forwarding，單播反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)）功能檢出并封堵。在IPv6環(huán)境下，情況發(fā)生了變化。原先需要上百萬個IPv4公網(wǎng)終端發(fā)起的DOS攻擊，現(xiàn)在只需要一個IPv6接入點就有足夠的全局單播地址的可以實現(xiàn)。一旦發(fā)起攻擊，部分防火墻，DPI設(shè)備，甚至沒有足夠空間存儲5元組連接，以及告警信息。攻擊時，由于沒有偽造源IP地址，路由器URPF檢測封堵功能也會失效。

圖1 IPv6校園網(wǎng)攻擊類型

2 IPv6校園網(wǎng)安全解決方案

目前，國際上主要通過SEND（Secure Neighbor Discovery，安全鄰居發(fā)現(xiàn)）協(xié)議來解決IPv6接入層的安全性問題。SEND協(xié)議通過在NDP協(xié)議報文中增加安全選項，來解決報文重傳，報文可信等問題。但SEND協(xié)議在校園網(wǎng)的部署也存在很大困難：

（1）大部分操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備目前不支持SEND協(xié)議。實際部署中，網(wǎng)絡(luò)管理者往往面臨一個混雜網(wǎng)絡(luò)。

（2）SEND在加密解密時消耗大量計算資源，這對網(wǎng)絡(luò)，終端硬件提出了很高的要求。

（3）部分類型的攻擊，例如針對外網(wǎng)的DOS攻擊，SEND協(xié)議無法緩解。

SEND協(xié)議并不適合解決目前IPv6校園網(wǎng)面臨的安全威脅。IPv6校園網(wǎng)安全方案應(yīng)當(dāng)采用綜合技術(shù)，在盡量不變更現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)硬件軟件的前提下，解決或者緩解網(wǎng)絡(luò)安全隱患。方案采用預(yù)防，限制，溯源，攔截的總體原則，分為2個模塊：

（1）網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：分析用戶規(guī)模，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，優(yōu)化報文轉(zhuǎn)發(fā)。通過犧牲小部分網(wǎng)絡(luò)性能，達到預(yù)防，限制攻擊流量的目的。

（2）攻擊檢測，溯源和攔截：DPI服務(wù)器負責(zé)攻擊模式和攻擊源的檢測，并將攻擊源信息發(fā)送給校園網(wǎng)控制器controller，也可由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過snmp，被動采集方式上報異常信息。網(wǎng)絡(luò)控制器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的表項的收集，存儲，攻擊源端口的查找和封堵攔截。

2.1 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

2.1.1 核心路由器

開啟NDP鄰居反向查找轉(zhuǎn)發(fā)：對于靜態(tài)用戶，如果設(shè)備支持，可開啟NDP鄰居反向查找轉(zhuǎn)發(fā)功能，路由器轉(zhuǎn)發(fā)報文時，會首先查找NDP鄰居表項，表項不存在則丟棄報文。

限制NDP鄰居表項學(xué)習(xí)總數(shù)：對于靜態(tài)用戶，建議每個用戶分配不同的接入vlan，并在相應(yīng)的三層接口限制NDP鄰居表項學(xué)習(xí)總數(shù)。

使用DHCPv6方式分配動態(tài)地址：對于動態(tài)用戶，建議采用DHCPv6方式分配地址，路由器轉(zhuǎn)發(fā)時能夠根據(jù)保存的五元組表項轉(zhuǎn)發(fā)報文，丟棄偽造報文。

2.1.2 匯聚/接入交換機

開啟NDP snooping并指定靜態(tài)router端口：針對路由器欺騙，開啟并指定靜態(tài)router端口后，其他端口收到的偽造RS，RA報文均被丟棄。

二層隔離：有兩種實現(xiàn)方式，端口隔離和vlan內(nèi)隔離。開啟該功能后，攻擊節(jié)點和正常節(jié)點在二層互相隔離，針對NDP協(xié)議的二層攻擊報文不能到達其他正常終端。

規(guī)劃并限制端口mac數(shù)量：NDP表項攻擊中，攻擊者的每一個報文都要變更頭部的源mac地址。通過限制單個端口學(xué)習(xí)到的mac地址數(shù)量，配合mac地址老化時間，可限制此類攻擊報文的發(fā)送速率。

2.2 攻擊檢測攔截方案

2.2.1 攻擊檢測

方法一：采用第三方DPI檢測設(shè)備（綠盟，Hillstone等）。服務(wù)器旁掛校園網(wǎng)核心路由器。流量通過鏡像方式到服務(wù)器端口。該方案檢測能力強，但是費用較高。

方法二：依靠網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身檢測能力，通過SNMP或者syslog方式發(fā)送日志給網(wǎng)絡(luò)控制器。日志分析由網(wǎng)絡(luò)控制器完成。日志也可以由控制器登錄網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采集。該方案檢測能力弱，但是費用較低。

2.2.2 攻擊溯源和攔截

第一步：網(wǎng)絡(luò)控制器以5分鐘（mac地址老化時間）為周期，登錄設(shè)備采集二層協(xié)議和三層協(xié)議表項。控制器可基于Python實現(xiàn)，（雙核3G，6G內(nèi)存，40線程）每輪可采集400臺設(shè)備，基本可覆蓋一中型校園網(wǎng)。

第二步：控制器根據(jù)DPI設(shè)備返回的攻擊者IP地址或者異常表項，查找匹配三層/二層信息，控制交換機關(guān)閉端口或者限制mac地址轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 攻擊溯源攔截方案示意圖

3 結(jié)束語

IPv6校園網(wǎng)，既面臨傳統(tǒng)安全威脅（例如路由器鄰居欺騙），又面臨IPv6特有的安全威脅，例如NDP 鄰居表項耗盡攻擊和針對外網(wǎng)節(jié)點的Dos攻擊。本文從網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、攻擊溯源兩個方面出發(fā)，按照預(yù)防、限制、溯源、攔截原則，給出了IPv6校園網(wǎng)安全防護方案，希望能給校園網(wǎng)運維人員帶去幫助。