朱泓藝,陸肖元,李毅
(上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程研究中心,上海 200436)
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與垂直行業(yè)的緊密結(jié)合,網(wǎng)絡(luò)空間安全作為國家安全的組成部分,其重要性日益凸顯。尤其是在云網(wǎng)融合、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、天地一體化等技術(shù)發(fā)展的加速推進下,移動通信、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、工業(yè)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信均逐漸暴露在網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險之下。網(wǎng)絡(luò)空間安全造成的影響,也從個人隱私、企業(yè)機密的泄露,提升到危害人民財產(chǎn)、生命安全以及國家利益的高度。快速迭代的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備以及應(yīng)用場景,使傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防御技術(shù)和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息產(chǎn)品安全性能檢測技術(shù)捉襟見肘,難以承擔維護國家網(wǎng)絡(luò)空間安全的重要任務(wù)。
在網(wǎng)絡(luò)安全防御技術(shù)方面,“內(nèi)生化”的網(wǎng)絡(luò)安全在近年來已成為研究熱點。由于網(wǎng)絡(luò)攻防態(tài)勢的普遍不對稱性,被動式的防御技術(shù)與產(chǎn)品僅依靠阻擋、檢測和修復(fù)[1-2]等手段存在一定的滯后性。因此,在面對未知的系統(tǒng)漏洞后門與惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊時,往往無法及時有效地發(fā)現(xiàn)威脅,只能在網(wǎng)絡(luò)受到攻擊造成損失后進行修補,無法滿足如今工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的高安全性要求。采用主動防御技術(shù),為系統(tǒng)引入動態(tài)隨機性使之呈現(xiàn)不可預(yù)知的特點,從而減少對網(wǎng)絡(luò)攻擊先驗知識的依賴,成為網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域新的主流觀點?;诖?,擬態(tài)防御原理引入動態(tài)異構(gòu)冗余架構(gòu)[3-4],從網(wǎng)絡(luò)空間的根本結(jié)構(gòu)上為系統(tǒng)提供“內(nèi)生”的安全性能。擬態(tài)防御作為目前實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全的一種最具有可行性的技術(shù)體系,已被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與軟硬件設(shè)備的設(shè)計之中[5-6]。
在網(wǎng)絡(luò)安全檢測技術(shù)方面,網(wǎng)絡(luò)靶場[7](cyber range,CR)和試驗床(test-bed,TB)作為一種網(wǎng)絡(luò)空間安全研究的信息基礎(chǔ)設(shè)施,可承擔網(wǎng)絡(luò)信息產(chǎn)品安全性能的評估、網(wǎng)絡(luò)安全性策略的制定和在典型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景進行網(wǎng)絡(luò)攻防演練等任務(wù),為新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與設(shè)備提供一個具有高度可操作性的試驗環(huán)境。因此,CR技術(shù)已受到國際社會的高度重視,世界各國均將CR作為體現(xiàn)國家安全實力的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施。
作為兩者的融合,網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場是一種主要面向網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全技術(shù)的CR/TB。參考文獻[8]重點探討了基于面向?qū)ο笤O(shè)計思想的網(wǎng)絡(luò)空間先進防御技術(shù)試驗場構(gòu)建方法,為網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場的設(shè)計與建設(shè)提出了一種可行的方法。
在我國,CR/TB的研究主要以科研院所如國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所、北京郵電大學(xué)等機構(gòu)牽頭建設(shè),在網(wǎng)絡(luò)攻防演練、場景仿真、數(shù)據(jù)采集等多個方面均有重大突破。同時,在南京紫金山實驗室的支持下,全球首個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全試驗場在南京落地,主要面向全球提供真實的人機對抗環(huán)境,提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全測試與網(wǎng)絡(luò)安全人員的技能培訓(xùn)。
國外關(guān)于CR/TB的研究情況見表1,國外關(guān)于CR/TB的相關(guān)研究于20世紀初已經(jīng)開始,其中美國的起步相對較早。各國CR/TB的主要建設(shè)機構(gòu)分為兩類,分別為國家政府部門與科研機構(gòu),前者如美國國防部更側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)攻擊防御技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)武器有效性評估等,后者例如各世界著名高校與非營利科研組織則更側(cè)重下一代網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究。無論出于何種建設(shè)目的,所有的CR/TB均具有大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬以及構(gòu)建可重復(fù)實驗的需求。
本文基于對CR/TB的全球趨勢研究與5G新形勢下對于網(wǎng)絡(luò)安全試驗的需求分析,提出了一種網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場管理技術(shù),針對先進防御技術(shù)的模擬測試、內(nèi)生安全設(shè)備的部署驗證以及攻防演練場景的快速構(gòu)建與切換等需求,設(shè)計了以內(nèi)生安全軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器為核心的虛實結(jié)合試驗場管理架構(gòu),通過雙層隔離的方式,在保障試驗環(huán)境獨立安全的前提下,提供網(wǎng)絡(luò)信息可視化、場景快速重構(gòu)、多場景并行運行以及信息資源可編排等功能。同時,提出了一種內(nèi)生安全網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計,采用中間層轉(zhuǎn)發(fā)代理實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全隔離,支持多種異構(gòu)開源控制器執(zhí)行體構(gòu)建擬態(tài)資源池,并采用了基于關(guān)鍵字段流一致策略的裁決算法。最后,基于一種試驗場組網(wǎng)方案提出試驗場場景重構(gòu)與資源編排方法??紤]到篇幅問題,在下文中,主要以試驗場來指代網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場。
表1 國外關(guān)于CR/TB的研究情況
本節(jié)基于以5G為核心的網(wǎng)絡(luò)空間安全新形勢,重點分析了建設(shè)虛實結(jié)合的試驗場管理體系架構(gòu)的必要性以及需要實現(xiàn)的技術(shù)要求,最終提出一種以內(nèi)生安全軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器銜接實體網(wǎng)絡(luò)與虛擬網(wǎng)絡(luò)的試驗場管理架構(gòu),實現(xiàn)對于虛實結(jié)合試驗場的統(tǒng)一控制管理與資源編排。
5G的到來不僅強化了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization,NFV)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network,SDN)的重要性,更使得兩者緊密結(jié)合。一方面,隨著云計算的發(fā)展,許多新型高科技企業(yè)與電信服務(wù)運營商都青睞部署于原生云中的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(virtual network function,VNF)。容器與微服務(wù)技術(shù)的發(fā)展更促進了NFV技術(shù)的應(yīng)用,以容器運行VNF可以提供自動擴/縮容、編排等功能,對于新型企業(yè)而言,是較為高效的業(yè)務(wù)部署方式,也是擺脫傳統(tǒng)設(shè)備商軟硬一體化限制的重要手段;另一方面,隨著分布式計算、邊緣計算等技術(shù)的發(fā)展,SDN技術(shù)重新被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò),通過解耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制層與數(shù)據(jù)層,在控制層實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理的標準化與可編程,從而更有效地分配東西向網(wǎng)絡(luò)資源。5G在核心網(wǎng)控制面實現(xiàn)全面的虛擬化,而在用戶面則基于SDN技術(shù)實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)發(fā)與分流,通過以NFV/SDN融合技術(shù)為代表的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,滿足多種垂直行業(yè)不同應(yīng)用場景的差異化用戶體驗保障要求。
5G技術(shù)的發(fā)展也為網(wǎng)絡(luò)安全問題帶來了巨大的挑戰(zhàn):(1)由于5G建設(shè)過程中大量應(yīng)用了支持通用白盒設(shè)備以及通用接口的NFV/SDN技術(shù),與過去的傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)相比,與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系更為緊密,同時也為惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊者提供了方便之門;(2)VNF的部署與應(yīng)用為網(wǎng)絡(luò)控制層帶來了具有較高復(fù)雜度的程序構(gòu)成與底層操作系統(tǒng),大幅提升了網(wǎng)絡(luò)控制層中存在漏洞或后門的概率;(3)在5G技術(shù)應(yīng)用于垂直行業(yè)的過程中,NFV/SDN技術(shù)也逐漸滲透至例如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等,而這些場景過去未曾考慮網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險,部分基礎(chǔ)設(shè)施安全防護措施薄弱、業(yè)務(wù)系統(tǒng)復(fù)雜,安全等級要求卻遠高于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。
為了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)空間安全新形勢,本文提出的試驗場的構(gòu)建方法與管理架構(gòu)以面向虛實結(jié)合網(wǎng)絡(luò)空間的大規(guī)模多場景攻防演練為目標,從試驗場管理層面實現(xiàn)對于虛實網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制管理與資源編排;在面向用戶的應(yīng)用平臺層面則需要消除對于虛實網(wǎng)絡(luò)差異的感知,從而支持內(nèi)生安全虛擬/實體網(wǎng)元的聯(lián)合測試驗證以及可重構(gòu)的攻防演練場景。
在試驗場管理方面涉及大規(guī)模虛實網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)組網(wǎng)、高可靠高安全的網(wǎng)絡(luò)控制、高效率的資源編排、可重構(gòu)切換的攻防演練場景等多項關(guān)鍵技術(shù)。本文所提出的試驗場管理架構(gòu)如圖1所示,主要分為試驗場平臺、SDN控制器、虛擬/實體網(wǎng)絡(luò)3部分,其中實線表示數(shù)據(jù)鏈路,虛線表示管理鏈路。試驗場平臺作為整個試驗場的應(yīng)用層,提供網(wǎng)絡(luò)拓撲可視化、動態(tài)信息資源編排、攻防演練場景構(gòu)建與切換以及先進防御技術(shù)與設(shè)備的測試評估等功能。SDN控制器為統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)控制的關(guān)鍵網(wǎng)元,通過動態(tài)異構(gòu)冗余架構(gòu)以及異構(gòu)SDN控制器執(zhí)行體池的構(gòu)建,為SDN控制層提供內(nèi)生安全保護。虛擬網(wǎng)絡(luò)主要提供大規(guī)模組網(wǎng)場景的快速構(gòu)建以及內(nèi)生安全虛擬網(wǎng)元的部署;實體網(wǎng)絡(luò)主要部署內(nèi)生安全實體網(wǎng)元以及攻擊、測試等專業(yè)設(shè)備。整個試驗場在SDN控制層與物理硬件設(shè)備管理接口采用了雙層隔離的設(shè)計思路保障試驗場平臺的安全可靠。整個試驗場管理架構(gòu)在設(shè)計中遵循以下原則。
· 先進性:針對先進防御技術(shù)與設(shè)備的部署需求提供模擬環(huán)境建立的功能,以滿足測試評估需求。
· 可重構(gòu)性:支持攻防演練場景的快速構(gòu)建、釋放、切換,提供高效靈活的測試驗證環(huán)境;
· 可擴展性:支持新增設(shè)備與硬件資源,可支持大規(guī)模分布式試驗場部署。
· 規(guī)范性:以先進防御技術(shù)標準體系為導(dǎo)向,保障先進防御技術(shù)測試驗證的規(guī)范性。
· 安全性:試驗場管理系統(tǒng)需要與試驗場環(huán)境進行高度隔離。
圖1 虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場管理架構(gòu)
根據(jù)上述設(shè)計原則與需求,本架構(gòu)具備如下特點。
在虛實網(wǎng)絡(luò)的高速互聯(lián)方面,SDN使用軟件應(yīng)用程序?qū)μ搶嵕W(wǎng)絡(luò)進行集中控制編程,北向支持開放的RESTconf API,使得試驗場網(wǎng)絡(luò)管理無須考慮底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的復(fù)雜性。南向則通過NETconf協(xié)議,在虛擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)與云平臺的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行對接,例如在基于OpenStack平臺的虛擬網(wǎng)絡(luò)中,SDN控制器可與Neutron模塊對接,用以管理虛擬網(wǎng)絡(luò)中所有的計算、存儲和控制節(jié)點,實現(xiàn)虛擬網(wǎng)元的組網(wǎng);實體網(wǎng)絡(luò)側(cè)對接SDN交換機,作為實體網(wǎng)元的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點。SDN控制器具備大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)現(xiàn)、高速信息處理和流表下發(fā)的能力,采用流表聚合和標簽路由算法,可以解決實體SDN交換機流表數(shù)量限制和查詢效率,從而實現(xiàn)大規(guī)模二層組網(wǎng)和高效率的二層交換,最終實現(xiàn)虛實網(wǎng)絡(luò)的萬兆高速互聯(lián)。
安全可靠的網(wǎng)絡(luò)控制方面,在SDN控制層引入動態(tài)異構(gòu)冗余的架構(gòu),首先在數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層之間加入中間層與擬態(tài)層,其中中間層不進行路由計算僅作為數(shù)據(jù)采集、報文上傳、流表下發(fā)等任務(wù)的中間節(jié)點,擬態(tài)層則維護支持多個異構(gòu)SDN控制器執(zhí)行體的資源池,將報文信息同時轉(zhuǎn)發(fā)給多個執(zhí)行體,通過流表一致性裁決強化路由信息安全可靠性,同時實現(xiàn)對于異常執(zhí)行體的發(fā)現(xiàn)與清洗重啟。
在統(tǒng)一信息資源編排方面,網(wǎng)絡(luò)拓撲信息的維護由SDN控制器統(tǒng)一管理,在虛擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過路由器、端口、子網(wǎng)、主機與鏈路等元素的映射,將基于云平臺的虛擬網(wǎng)絡(luò)拓撲與實體網(wǎng)絡(luò)拓撲進行整合,提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)拓撲展示,簡化試驗場網(wǎng)絡(luò)運維管理,提高試驗場管理平臺可視化效果;承載虛擬網(wǎng)絡(luò)的云服務(wù)器以及構(gòu)成實體網(wǎng)絡(luò)的實體網(wǎng)元額外設(shè)置了管理接口與鏈路,將承載試驗場攻防演練的數(shù)據(jù)鏈路和實現(xiàn)各設(shè)備配置管理與數(shù)據(jù)采集的管理鏈路進行安全隔離,避免試驗場中的攻擊數(shù)據(jù)流直接影響到試驗場管理平臺。
在支持攻防演練場景的快速構(gòu)建與切換方面,試驗場支持的獨立管理鏈路可以快速生成或釋放虛擬網(wǎng)元、啟動或停止實體網(wǎng)元,并通過SDN控制器調(diào)整組網(wǎng)結(jié)構(gòu),大幅簡化攻防演練場景構(gòu)建的流程,同時支持不同設(shè)備組成多個測試環(huán)境并行試驗,實現(xiàn)高效的測試評估。
在虛實結(jié)合的試驗場管理架構(gòu)體系中,實現(xiàn)虛實網(wǎng)絡(luò)集中控制的SDN控制層為整個試驗場的核心部位,需要承載虛擬網(wǎng)絡(luò)中與云平臺的對接、在實體網(wǎng)絡(luò)中控制SDN交換機實現(xiàn)拓撲變更以及虛實網(wǎng)絡(luò)的高速互聯(lián)等功能,其安全性能需要最高級別的保障。
本節(jié)提出基于動態(tài)異構(gòu)冗余架構(gòu)的內(nèi)生安全軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)保障SDN控制層安全,實現(xiàn)多異構(gòu)SDN控制器執(zhí)行體動態(tài)調(diào)度、流表對比裁決、快速調(diào)度下線重啟控制器等關(guān)鍵性技術(shù)。
基于擬態(tài)防御的SDN控制層安全機制在參考文獻[20]中進行了充分的討論,研究了基于語義層面的異構(gòu)控制器流表項對比裁決。在實驗中,選用了ODL(Open Day Light)控制器作為主控制器,而POX和ONOS(Open Network Operating System)作為等價異構(gòu)控制器提供對比裁決的流表數(shù)據(jù)。在本文中,選用自研的DCFabric開源SDN控制器作為中間層,本身并不提供路由功能,僅為多個異構(gòu)SDN控制器執(zhí)行體提供報文上傳、網(wǎng)絡(luò)拓撲信息更新以及流表轉(zhuǎn)發(fā)的功能,構(gòu)成擬態(tài)防御架構(gòu)中的代理節(jié)點。在安全性上,該部分僅作為透傳通道,其功能具有簡單可靠的特點,難以出現(xiàn)故障或被網(wǎng)絡(luò)攻擊。在功能性上,提供了與云平臺對接和可視化的能力,可以滿足虛實結(jié)合的試驗場組網(wǎng)需求。
在異構(gòu)執(zhí)行體的選取方面,本文提出的內(nèi)生安全SDN控制器采用三大主流開源SDN控制器ODL、ONOS、Ryu構(gòu)成異構(gòu)資源池,其各項特點對比見表2。其中,ODL控制器由Linux基金會主導(dǎo)開發(fā)推進,主要面向數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)支持SDN/NFV分布式框架和平臺;ONOS控制器則由非營利性組織ONLab主導(dǎo)推出,主要聚焦控制器平臺層,業(yè)務(wù)組件則提供開放接口供使用者自行開發(fā);Ryu控制器由日本NTT公司負責(zé)設(shè)計研發(fā),完全采用Python語言實現(xiàn),具有輕量化的優(yōu)點。
表2 開源SDN控制器對比
根據(jù)測試對比可見,本文所引用的3種開源SDN控制器分別采用不同的語言進行編寫,在執(zhí)行體的異構(gòu)度上有足夠的保障。與ONOS和Ryu相比,ODL控制器由于功能模塊豐富,不僅代碼量為另外兩種控制器的上百倍,同時在啟動時需要占用更多的時間。這一點在內(nèi)生安全SDN控制器運行過程中,將會較大地影響ODL控制器下線清洗后恢復(fù)上線所需要的速度。而Ryu控制器屬于輕量級系統(tǒng),在代碼量與ONOS相當?shù)那闆r下,可以實現(xiàn)10 s以內(nèi)的快速啟動,并且內(nèi)存占用也遠低于其他兩種控制器。
SDN控制器整體架構(gòu)如圖2所示,包括應(yīng)用層、中間層、數(shù)據(jù)層以及擬態(tài)層;應(yīng)用層與中間層之間使用RESTful API進行消息傳遞,包括拓撲信息獲取、配置下發(fā)等消息;中間層和數(shù)據(jù)層之間使用OpenFlow協(xié)議進行消息交互,包括數(shù)據(jù)層的請求以及流表下發(fā)等消息;擬態(tài)層主要作為中間層的一部分,包括裁決器、調(diào)度器以及各種異構(gòu)控制器。
圖2 內(nèi)生安全SDN控制器架構(gòu)
其中,中間層和擬態(tài)層是內(nèi)生安全SDN控制器的兩個重要組成部分,中間層使用DCFabric與數(shù)據(jù)層的SDN交換機或云平臺中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點建立連接,數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)發(fā)生交換時,向中間層請求路由策略。在初始化完成之后,擬態(tài)層中的各個異構(gòu)控制器會各自獨立獲取并更新數(shù)據(jù)處理中整體網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),中間層收到交換發(fā)送的策略請求之后,通過輸入代理模塊將請求信息分發(fā)到層中的各個異構(gòu)控制器,各個控制器分別進行路由策略計算。各個控制器計算得到的轉(zhuǎn)發(fā)策略會統(tǒng)一發(fā)到裁決器進行匯總,裁決器將策略統(tǒng)一匯總發(fā)送到輸出代理,最后下發(fā)到SDN交換機。
擬態(tài)層中的各個控制器以虛擬機或容器的方式運行,可以根據(jù)需求快速地創(chuàng)建或釋放一個控制器實例。其中裁決器不只是對策略進行裁決,還會將裁決的結(jié)果向調(diào)度器反饋,調(diào)度器收到裁決結(jié)果后,對有安全風(fēng)險的控制器執(zhí)行體進行清洗。
應(yīng)用層主要是對網(wǎng)絡(luò)的可視化管理,包括可視化的查看以及配置,前端頁面向應(yīng)用層服務(wù)端獲取網(wǎng)絡(luò)當前狀態(tài)數(shù)據(jù),并將其展現(xiàn)在前端頁面,包括網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、當前各種異構(gòu)控制器的運行狀態(tài)、當前SDN交換機的流表信息等。應(yīng)用層服務(wù)端通過RESTful API向DCFabric控制器獲取狀態(tài)信息,不同的用戶擁有不同的配置管理權(quán)限以及查看權(quán)限,從而增強網(wǎng)絡(luò)管理的安全性。
內(nèi)生安全SDN控制器的擬態(tài)裁決主要針對“流一致”的要求進行設(shè)計,即多個異構(gòu)SDN控制器執(zhí)行體流表的路由策略保持一致。在裁決器收到多個控制器發(fā)送的流表信息后,開始裁決過程,主要由同步、折分、比較和裁定4個步驟組成。
同步:本步驟為了保證擬態(tài)裁決的對象是異構(gòu)控制器,是針對同一路由策略請求后下發(fā)的流表信息,該過程可通過報文標識符Packet_ID完成。
拆分:由于逐比特比較計算量大,且無法處理異構(gòu)控制器私有的控制規(guī)則信息,難以在裁決器進行流表的逐位匹配。因此,在本步驟對流表的關(guān)鍵信息進行提取,按照路由策略的語義規(guī)則,將其分為多個關(guān)鍵字段。
比較:根據(jù)關(guān)鍵字段拆分結(jié)果,對多個流表每個字段進行分別匹配比對,例如分別就源地址、目標地址、轉(zhuǎn)發(fā)端口等字段進行比對。
裁定:在比較過程結(jié)束后,根據(jù)比對結(jié)果裁定具有多數(shù)優(yōu)勢的流表信息為真,轉(zhuǎn)發(fā)至代理節(jié)點,并將流表信息裁定為假的控制器信息反饋至調(diào)度器進行處理。
在本系統(tǒng)設(shè)計中,除了采用細粒度的流一致裁決算法,還添加了帶容忍閾值的自清洗機制強化內(nèi)生安全SDN控制器的可靠性與穩(wěn)定性。由于多個控制器執(zhí)行體的路由策略可能有一定的不一致,同時考慮到部分控制器執(zhí)行體的重啟時間較長,裁決器在經(jīng)過裁定之后可以記錄控制器執(zhí)行體的錯誤次數(shù):在初始狀態(tài)時,所有控制器執(zhí)行體的錯誤次數(shù)均為0,每當發(fā)現(xiàn)有錯誤消息出現(xiàn)將相應(yīng)控制器執(zhí)行體的錯誤次數(shù)加1。當錯誤次數(shù)達到某個預(yù)設(shè)的容忍閾值時,裁決器將信息反饋至調(diào)度器,相應(yīng)控制器執(zhí)行體進入自清洗階段——重啟/替換控制器執(zhí)行體。完成自清洗階段之后,該控制器執(zhí)行體的錯誤次數(shù)重置。
基于動態(tài)異構(gòu)冗余架構(gòu)的內(nèi)生安全SDN控制系統(tǒng)由于采用了多個異構(gòu)控制器執(zhí)行體與流一致的擬態(tài)裁決算法,在少于半數(shù)的控制器執(zhí)行體被攻擊時,仍能保證正確的流表輸出。同時裁決器能夠識別這些具有安全風(fēng)險的執(zhí)行體,并進行調(diào)度清洗消除網(wǎng)絡(luò)攻擊對控制器執(zhí)行體的影響,大幅強化了SDN控制層的安全能力。
建設(shè)網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場的主要目的是對網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全原理、技術(shù)、方法進行全面的系統(tǒng)研制,從而促進內(nèi)生安全理論體系的完善和深化,為內(nèi)生安全技術(shù)、設(shè)備提供測試認證,支撐基于虛實結(jié)合網(wǎng)絡(luò)空間環(huán)境的攻防演練、人員培訓(xùn)和能力評價,最終實現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的標準化與商業(yè)化。本節(jié)提出一種可支持場景快速重構(gòu)、切換的試驗場部署管理技術(shù),以一個典型的組網(wǎng)方案為例,充分介紹面向服務(wù)、動態(tài)充足、按需分發(fā)等能力的試驗場管理策略。
網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場組網(wǎng)案例如圖3所示,一個典型的虛實結(jié)合試驗場主要分為5個主要組成部分:試驗場平臺、外部互聯(lián)網(wǎng)接入、虛擬網(wǎng)絡(luò)、實體網(wǎng)絡(luò)和管理接口鏈路。
試驗場平臺是面向測試及運維人員的用戶接口,也是整個試驗場的應(yīng)用層,通過對接SDN控制器獲取全網(wǎng)信息感知,并通過管理接口鏈路獲得試驗場各設(shè)備資源信息與管理配置能力,從而支持網(wǎng)絡(luò)可視化、場景構(gòu)建切換等功能;外部互聯(lián)網(wǎng)接入處首先完成用戶接入認證以提供不同級別的測試服務(wù),在接入側(cè)旁掛攻擊/背景流量生成器模擬網(wǎng)絡(luò)攻擊與雜訊干擾;虛擬網(wǎng)絡(luò)主要由例如OpenStack的云平臺支持,可基于鏡像實現(xiàn)虛擬網(wǎng)元的快速生成,并通過云平臺網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與SDN控制器對接;實體網(wǎng)絡(luò)主要部署網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全設(shè)備,如內(nèi)生安全路由、內(nèi)生安全存儲等系統(tǒng),以一個或多個SDN控制器作為數(shù)據(jù)鏈路通道進行互聯(lián);管理接口鏈路獨立于試驗場數(shù)據(jù)鏈路,通過管理接口交換機匯聚全試驗場各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、主機的管理配置信息與資源信息數(shù)據(jù)。
基于物理設(shè)備和物理鏈路構(gòu)建的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防御試驗場,存在實驗規(guī)模有限和場景重構(gòu)緩慢等缺陷。在虛實結(jié)合的試驗場環(huán)境中,以基于云平臺構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)可以極快的速度提供大規(guī)模虛擬網(wǎng)元互聯(lián)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)試驗環(huán)境,可以較低的成本滿足多種大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)試驗場景構(gòu)建的需求,強化了試驗場針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行試驗測試與攻防演練的能力。同時,虛擬網(wǎng)絡(luò)在重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景方面相對于實體網(wǎng)絡(luò)具有較高的優(yōu)勢,基于鏡像的虛擬網(wǎng)元具有快速生成、釋放實例的能力,并且部分云平臺支持藍圖功能,可以更為簡便地實現(xiàn)場景切換。
圖3 網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場組網(wǎng)案例
在實體網(wǎng)絡(luò)方面,通過SDN控制器也可以相對快速地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),實現(xiàn)實體網(wǎng)絡(luò)場景的重構(gòu)。如圖3所示的試驗場組網(wǎng)方案中采用多網(wǎng)口的云平臺服務(wù)器設(shè)備與SDN交換機,以多重標簽流量牽引的SDN動態(tài)組網(wǎng)方式實現(xiàn)實體網(wǎng)元之間以及實體和虛擬網(wǎng)元的虛擬網(wǎng)絡(luò)鏈路動態(tài)可定義,從而實現(xiàn)試驗場應(yīng)用層與物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的解耦。同時,這樣的組網(wǎng)方式支持多種場景的并行試驗測試,通過內(nèi)生安全SDN控制器控制多個SDN交換機與虛擬網(wǎng)絡(luò),隔離出多個互不影響的網(wǎng)絡(luò)場景,可供多個測試團隊同時在試驗場中針對不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與設(shè)備進行攻防演練,提升了試驗場的工作效率。
在大規(guī)模復(fù)雜組網(wǎng)條件下,試驗場運維人員對全網(wǎng)設(shè)備資源的感知、配置與調(diào)度存在困難。本組網(wǎng)部署方案在試驗場測試環(huán)境的數(shù)據(jù)鏈路外,獨立部署管理接口鏈路匯聚至試驗場平臺。通過試驗場資源編排器管理維護全網(wǎng)設(shè)備資源信息數(shù)據(jù),并基于此執(zhí)行試驗場資源編排。試驗場編排器可部署人工智能引擎,在長期運行中采集分析試驗場數(shù)據(jù),提供智能化的資源優(yōu)化能力。
本文提出面向虛實結(jié)合的試驗場管理架構(gòu)與組網(wǎng)部署技術(shù),可以針對性地滿足網(wǎng)絡(luò)空間安全新形勢下,對于內(nèi)生安全技術(shù)、設(shè)備的測試驗證與人員技能的培訓(xùn)要求,有效利用了內(nèi)生安全SDN控制器與數(shù)據(jù)管理鏈路的隔離設(shè)計為試驗場提供了安全可靠的可編排可重構(gòu)能力。該管理架構(gòu)基于人工智能編排器,有望發(fā)展為智能化的網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場。