基于OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)研究

引言

OpenFlow是一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的解決方案，它使得網(wǎng)絡(luò)的靈活性大大增加。它是以在實(shí)際環(huán)境中測試新協(xié)議為初衷而開發(fā)的新技術(shù)。OpenFlow在使用新協(xié)議時(shí)不打斷原有網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，并且使用OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備(Switch)實(shí)現(xiàn)了與控制器(Controller)的標(biāo)準(zhǔn)接口，新的協(xié)議、轉(zhuǎn)發(fā)方式不必重新開發(fā)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，從而減少了不必要的麻煩(如廠家不愿意開放其技術(shù)細(xì)節(jié)，導(dǎo)致第三方無法進(jìn)行對(duì)設(shè)備的靈活升級(jí)、使用)。OpenFlow技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)更加靈活，已經(jīng)成為軟件定義網(wǎng)絡(luò)的解決方案之一。現(xiàn)在已有的研究成果中,已出現(xiàn)了以O(shè)penFlow技術(shù)實(shí)現(xiàn)QoS、路由算法［等的方法,針對(duì)如何使用OpenFlow技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò)安全問題還是一個(gè)新的課題。

本文以O(shè)penFlow技術(shù)為基礎(chǔ)，開展新型網(wǎng)絡(luò)安全體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的探索。主要研究了OpenFlow技術(shù)；并為采用隧道技術(shù)改進(jìn)的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探索；給出了基于OpenFlow技術(shù)的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)方法；最后為OpenFlow技術(shù)在未來網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1OpenFlow技術(shù)

OpenFlow是斯坦福大學(xué)CleanSlate計(jì)劃資助的一個(gè)開放式協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也作為GENI計(jì)劃的一個(gè)子項(xiàng)目，主要用于在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上部署新的協(xié)議和新的業(yè)務(wù)應(yīng)用叫OpenFlow技術(shù)主要由OpenFlow交換機(jī)、控制器Controller和虛擬化FlowVisor組成。OpenFlow交換機(jī)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；控制器Controller完成轉(zhuǎn)發(fā)策略的判斷；虛擬化FlowVisor提供一個(gè)虛擬化層，使得多個(gè)控制器可以控制同一個(gè)交換機(jī)。

圖1  OpenFlow技術(shù)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為了簡單起見，先不考慮網(wǎng)絡(luò)虛擬化問題，那么一個(gè)基本的OpenFlow技術(shù)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括OpenFlow交換機(jī)(Switch)和OpenFlow控制器(Controller)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)Switch后，由Switch使用OpenFlow協(xié)議通過安全通道(SecureChannel)將它轉(zhuǎn)發(fā)至Controller，Controller

上的軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)決策，將轉(zhuǎn)發(fā)決策下發(fā)到Switch的流表（FlowTable）中，后續(xù)數(shù)據(jù)包按FlowTable規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)。安全通道是基于SSL協(xié)議的，保證了控制器及系統(tǒng)的安全。它在設(shè)備與控制器之間釆用證書認(rèn)證的方式來進(jìn)行合法設(shè)備的識(shí)別，以防未授權(quán)設(shè)備的接入，從而保證控制器和系統(tǒng)本身不受攻擊。

圖2所示是OpenFlow交換機(jī)的流表。它包括三個(gè)部分,分別是MatchFields（表示匹配的流信息元組）、Counters（是一個(gè)數(shù)據(jù)包字節(jié)統(tǒng)計(jì)）、Instructions（表示針對(duì)這個(gè)流的處理方式）。每個(gè)流表項(xiàng)包括了一組Instructions,它們在當(dāng)數(shù)據(jù)流匹配到這個(gè)表項(xiàng)時(shí)被執(zhí)行。在Instructions中定義了一系列Action行為,如Apply-Actions>Clear-Actions>Write-Actions等。這些行為中可根據(jù)ActionSet的內(nèi)容具體執(zhí)行。ActionSet中有幾個(gè)“必須"Action，分別是Output、Drop和Group。

2采用隧道技術(shù)改進(jìn)的OpenFlow網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

如果實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)，需要Controller進(jìn)行逐包檢測而不是按流轉(zhuǎn)發(fā)（如上所述），因?yàn)榘戳鬓D(zhuǎn)發(fā)只能完成最簡單的包過濾防火墻的功能。為了結(jié)合目前最新的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，如深度包/流檢測，以達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)更細(xì)粒度的保護(hù)，需要改變按流轉(zhuǎn)發(fā)的策略為按包檢測。這樣做在OpenFlow技術(shù)實(shí)現(xiàn)上是可行的，但按包檢測進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)傳輸速率下降,使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不會(huì)很大。

本解決方案是將流轉(zhuǎn)發(fā)至一個(gè)線速的包處理器NetFPGA進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全分析，以便在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全檢查的同時(shí)提高轉(zhuǎn)發(fā)速率，圖3所示是基于OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)圖。如果發(fā)起從PC1到PC2的訪問，其過程又需要網(wǎng)絡(luò)安全的保證，那么流量首先經(jīng)過交換機(jī)，然后控制器更新交換機(jī)的流表,于是流量就從交換機(jī)通過隧道技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給了NetFPGA,由它來為轉(zhuǎn)發(fā)的流進(jìn)行安全性檢測。如果通過，則將流解隧道封裝轉(zhuǎn)發(fā)到目的地PC2；不通過則丟棄。采用隧道技術(shù)進(jìn)行傳輸?shù)膬?yōu)勢有三點(diǎn)：首先，隧道封裝后不會(huì)丟失原始流的信息，以防直接改寫流表造成原始流目的地址丟失；其次，隧道封裝后形成新流，不會(huì)使新流和原始流（剛進(jìn)入系統(tǒng)且未經(jīng)檢查的流）混淆;最后，隧道封裝后有利于與傳統(tǒng)設(shè)備（非OpenFlow設(shè)備）的兼容，以便實(shí)現(xiàn)第3部分將要提出的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)架構(gòu)。至于NetFPGA的實(shí)現(xiàn)，則會(huì)有多種多樣，可以將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的研究成果用在這里。采用了基于OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)使得網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備都具備安全性功能，因?yàn)樗鼈冊谵D(zhuǎn)發(fā)時(shí)要考慮控制器和NetFPGA的轉(zhuǎn)發(fā)策略，而這些策略是通過網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)人員精心設(shè)置的。例如，為了實(shí)現(xiàn)基于OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)原始OpenFlow技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)充。以下是筆者提出的具體改進(jìn)方案：

圖3  基于OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

首先是在流表的Instruction的ActionSet中增加check行為和tunnel_encap行為。給check行為定義三個(gè)值，分別是00（未進(jìn)行安全檢查）、11（安全檢查完畢，確保安全）、10（安全檢查完畢，不安全）；同時(shí)也給tunnel_encap定義三個(gè)值,分別是00（不需要隧道封裝）、11（需要隧道封裝）、10（解封裝）。

其次，在OpenFlow交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隧道功能和流緩存時(shí)間統(tǒng)計(jì)功能，并且在Controller上實(shí)現(xiàn)暫存、修改流狀態(tài)功能。當(dāng)PC1將流量發(fā)至PC2并經(jīng)過交換機(jī)時(shí)，由交換機(jī)將流轉(zhuǎn)發(fā)給Controller,Controller查看到傳輸?shù)哪康牡厥荘C2,則Controller將check字段設(shè)成00（未進(jìn)行安全檢查）,tunnel_encap字段設(shè)成11（需要隧道封裝），傳給交換機(jī)并將這個(gè)流的信息暫存。然后，交換機(jī)將PC1傳過來的流量封裝到一個(gè)IP隧道中，這個(gè)隧道的內(nèi)層就是PC1到PC2的IP傳輸路徑，外層就是PC1到NetFPGA的IP傳輸路徑，并標(biāo)記為新流。再次發(fā)送新流請求給Controller（這時(shí)目的地是NetFPGA）,讓其找出從交換機(jī)到NetFPGA的下一跳輸出端口（這時(shí)check值為00,tunnel_encap為00）。當(dāng)交換機(jī)收到這個(gè)策略時(shí)，將其路徑寫入流表，按外層數(shù)據(jù)包匹配的流表項(xiàng)（PC1到NetFPGA）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。交換機(jī)上的流表項(xiàng)應(yīng)設(shè)置緩存時(shí)間，因?yàn)樯洗螜z查過的流沒有安全問題并不代表下一時(shí)刻流中的數(shù)據(jù)也是安全的，所以需要設(shè)置超時(shí)閾值以便于重新檢查。

其他交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)詢問到NetFPGA的路徑時(shí)不需要封裝，因?yàn)镃ontroller中暫存的記錄tunnel_encap為00。當(dāng)NetFPGA收到隧道包后，它將進(jìn)行流內(nèi)容的安全檢查，并通知更新交換機(jī)流表將check值設(shè)為11（安全檢查完畢，確保安全）或?yàn)?0（安全檢查完畢，不安全），將tunnel_encp值設(shè)為10（解封裝）。同時(shí)，修改Controller中暫存的原始流記錄值的check為11、tunnel_encap為10。

接收到check為11、tunnel_encap為10的交換機(jī)將這個(gè)流的外層隧道剝離，并再次發(fā)送內(nèi)層轉(zhuǎn)發(fā)請求給Controller以尋找到PC2的下一跳路徑。由于Controller中針對(duì)該流的暫存標(biāo)記已修改為check為11、tunnel_encap為10,所以不再封裝與檢查。收到結(jié)果后，則按照內(nèi)層路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這樣,數(shù)據(jù)包就從PC1傳輸?shù)搅薖C2。當(dāng)交換機(jī)收到check為10的流時(shí)，丟棄數(shù)據(jù)包。

在基于OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)中，可以設(shè)置多個(gè)Controller和NetFPGA。它們分別實(shí)現(xiàn)不同的策略，以保證網(wǎng)絡(luò)安全策略的縱深化、層次化。對(duì)于重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，設(shè)置高級(jí)別的安全策略，安全性相對(duì)較低的區(qū)域采用低級(jí)別的朿略。

3基于OpenFlow技術(shù)的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

OpenFlow技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)的部署更加靈活，使用這項(xiàng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全部署也就能夠突顯出它的優(yōu)勢。

首先，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)全面。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備都是防火墻/IPS/UTM，因?yàn)樗鼈兌及凑誄ontroller和NetFPGA的策略轉(zhuǎn)發(fā)。以前，網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備（如防火墻等）都僅部署在兩個(gè)安全級(jí)別不同的網(wǎng)絡(luò)邊界，但對(duì)同一個(gè)安全級(jí)別內(nèi)部的攻擊卻束手無策。采用了OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)使得全網(wǎng)就會(huì)有一個(gè)全局的安全策略，不會(huì)出現(xiàn)'僅防一點(diǎn)”的尷尬局面。所以，它的保護(hù)具有全面性。

其次，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)具有均衡性。不會(huì)出現(xiàn)“木桶效應(yīng)”，因?yàn)镃ontroller和NetFPGA的策略是一致的，必要時(shí)可進(jìn)行分等級(jí)的安全性部署。眾所周知，一個(gè)好的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)是不應(yīng)該出現(xiàn)明顯弱點(diǎn)的。采用了OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全性設(shè)計(jì)使得網(wǎng)絡(luò)中沒有明顯的弱點(diǎn)。為了防止網(wǎng)絡(luò)被黑客攻破，可以采用分等級(jí)保護(hù)的策略。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，將網(wǎng)絡(luò)按安全性劃分出若干個(gè)邏輯等級(jí)，在每一個(gè)邏輯等級(jí)上實(shí)施不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略，并且在同一個(gè)安全級(jí)別的邏輯網(wǎng)絡(luò)內(nèi)還可按不同應(yīng)用進(jìn)行策略配置。這樣，使得網(wǎng)絡(luò)的安全性策略有層次、有條理，不至于出現(xiàn)一點(diǎn)被攻破就全盤皆輸?shù)那闆r。所以，它的保護(hù)具有均衡性。

再次，網(wǎng)絡(luò)保護(hù)易于升級(jí)、維護(hù)，并且具有高可用性。Controller（或NetFPGA）內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)策略易升級(jí)，以應(yīng)對(duì)新型網(wǎng)絡(luò)攻擊。由于采用了集中式的網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)，即安全策略是高度集中的，因此，升級(jí)病毒、攻擊特征庫僅需在中心控制設(shè)備上進(jìn)行。由于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的特性，升級(jí)后的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全部具有最新更新補(bǔ)丁。另外，可把中心Controller（或NetFPGA）采用雙機(jī)熱備策略。備用中心節(jié)點(diǎn)通過“心跳”信號(hào)來檢測主中心節(jié)點(diǎn)是否還“活著”，如果主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題,備用節(jié)點(diǎn)馬上接管起主節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。所以，OpenFlow的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)具有易升級(jí)、易維護(hù)和高可用的特性。

在這里，我們看到了基于OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。這種架構(gòu)是一個(gè)全新的思路。如果再把傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)方式與這種全新的方式結(jié)合起來，那么這個(gè)系統(tǒng)就顯得更加完善。我們稱滿足上述優(yōu)勢并與傳統(tǒng)方式相結(jié)合的OpenFlow設(shè)計(jì)為增強(qiáng)型設(shè)計(jì)。它可在不破壞OpenFlow技術(shù)架構(gòu)的同時(shí)，再在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵點(diǎn)上設(shè)置一些諸如IPS、防火墻等設(shè)備，這會(huì)使得兩種保護(hù)方式相得益彰。傳統(tǒng)設(shè)備按IP地址轉(zhuǎn)發(fā)，這也是在本文第2部分中提到使用隧道技術(shù)的原因之一。在關(guān)鍵服務(wù)器的前端設(shè)置一個(gè)IPS,在網(wǎng)絡(luò)邊界設(shè)置防火墻，都是不錯(cuò)的選擇。OpenFlow技術(shù)在信道傳輸?shù)膶用嫔媳Ｗo(hù)了網(wǎng)絡(luò)安全，IPS在應(yīng)用層面上過濾安全威脅，防火墻在兩個(gè)可信度不同的域之間建立起安全橋梁。隨著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，其保護(hù)的功能也越來越強(qiáng)。在這種環(huán)境下部署OpenFlow與傳統(tǒng)設(shè)備的結(jié)合，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)更加安全、可靠。

4OpenFlow技術(shù)在未來網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用展望

在不久的將來，網(wǎng)絡(luò)將向著更快、更安全、更豐富和更人性化發(fā)展。目前出現(xiàn)的云計(jì)算技術(shù)代表了網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)發(fā)展方向，用戶可以像使用水、電及煤氣那樣方便地使用云計(jì)算的服務(wù)。然而，如何識(shí)別合法用戶在其中顯得格外重要。目前，還在被IETF討論的LISP協(xié)議（Locator/IDSeparationProtocol）可以將位置與身份分離，這樣，單一IP地址不再擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)尋址與身份的雙重任務(wù)。LISP使用戶在位置改變時(shí),身份標(biāo)識(shí)保持不變。文獻(xiàn)中闡述了如何使用身份標(biāo)識(shí)EID和位置標(biāo)識(shí)RLOC。LISP將身份標(biāo)識(shí)賦予每個(gè)流，這迎合了OpenFlow的流控制技術(shù)，所以，LISP與OpenFlow技術(shù)可以完美結(jié)合。文獻(xiàn)［8］將OpenFlow技術(shù)引入云計(jì)算服務(wù)。在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，基礎(chǔ)服務(wù)層的設(shè)備將被替換成OpenFlow設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)利用OpenFlow控制器根據(jù)用戶數(shù)據(jù)流中的EID進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)決策來提供安全、合法的云服務(wù)，圖4所示是OpenFlow的云計(jì)算應(yīng)用方案。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)用戶的EID信息通過OpenFlow技術(shù)將不同組別的用戶劃分到不同的VLAN中，以便在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)云計(jì)算虛擬化應(yīng)用提供用戶隔離,從而保證安全性。

圖4  OpenFlow的云計(jì)算應(yīng)用

5結(jié)語

OpenFlow技術(shù)有著廣博的發(fā)展空間，它能應(yīng)用于路由、QoS、安全等各個(gè)方面。它改變了網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)方式，是個(gè)全新而大膽的解決方案。通過本文的分析，我們看到基于OpenFlow技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，它與傳統(tǒng)方式構(gòu)成的增強(qiáng)型設(shè)計(jì)方案使得網(wǎng)絡(luò)安全問題得到了很好的解決。最后,云計(jì)算的發(fā)展也為OpenFlow技術(shù)提供了施展的舞臺(tái)。

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