融合多種網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知方法研究

司震宇

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，哈爾濱 150030）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全等問題日益關(guān)注，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品不能夠充分滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)安全的需求，主要表現(xiàn)在：①已有網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品不能充分滿足用戶需要，產(chǎn)品升級需很高費(fèi)用；②傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品只針對特定的網(wǎng)絡(luò)安全事件做出相應(yīng)的決策，對于突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)安全事件不能做出反應(yīng)；③傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品只注重對已有網(wǎng)絡(luò)安全問題的防御和打擊，不能及時反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)，對網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前安全狀態(tài)不能夠進(jìn)行實時監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估技術(shù)能夠綜合各方面的安全因素，從整體上動態(tài)反映網(wǎng)絡(luò)安全狀況，并對安全狀況的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警，為增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性提供可靠的參照依據(jù)[1]。網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品不能夠充分滿足網(wǎng)絡(luò)安全需要情況下提出，網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知系統(tǒng)缺少一種有效、直觀的顯示方式把當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢信息報告給網(wǎng)絡(luò)管理者[2]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粌H能夠反映受控網(wǎng)絡(luò)的連接，而且能夠加以利用使其為網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知提供實時、準(zhǔn)確的監(jiān)控平臺。以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢暬枋鼍W(wǎng)絡(luò)態(tài)勢信息能夠便于管理員了解網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢，及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常行為。網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢信息得以充分展現(xiàn)的基礎(chǔ)[3-4]。

國外的一些研究機(jī)構(gòu)主要采用基于Traceroute命令的拓?fù)浞椒ǎ摼W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法對Internet的要求低，不需獲得網(wǎng)絡(luò)特殊權(quán)限。本文綜合分析目前較為流行的幾種網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法的優(yōu)缺點，提出一種由2種拓?fù)浞椒ㄏ嘟Y(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)?，主要使用基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒?，輔助基于OSPF的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒?，該方法能彌補(bǔ)基于SNMP的拓?fù)浞椒ú荒茉L問未開啟SNMP協(xié)議路由器的缺限，具有重要的理論意義。

1 網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法

網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)主要采用網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@得路由器及其相互連接的信息和子網(wǎng)信息。網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)是配置管理核心、故障和性能管理基礎(chǔ)，也是衡量一個商業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)成敗的重要尺度。因此拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法的設(shè)計在整個網(wǎng)管系統(tǒng)的研發(fā)中起重要作用[5-6]。

1.1 網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)常用協(xié)議[8-11]

網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)常用的協(xié)議主要有：SNMP協(xié)議、ICMP協(xié)議、OSPF協(xié)議和ARP協(xié)議。

1.2 現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法

拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)采用廣度優(yōu)先遍歷對網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備進(jìn)行搜索，以網(wǎng)絡(luò)中某一個路由器P0為起點，采用SNMP及其他輔助協(xié)議搜索與P0相鄰的路由器P1，P2，P3…Pi，接著再依次訪問與P1，P2，P3…Pi分別相鄰的所有節(jié)點，依次類推。

網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)有很多種方法，每種方法都有其優(yōu)缺點及其適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，需要對其優(yōu)缺點及其適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行分析，選出適用于網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法[12-13]。

1.2.1 基于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒?/p>

基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法目標(biāo)明確，拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)效率高、速度快，對網(wǎng)絡(luò)帶來的負(fù)載小，系統(tǒng)開銷低。能夠通過SNMP協(xié)議直接從路由器路由表中獲取下一跳路由器地址信息，容易獲得比較完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知同樣使用SNMP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測。但缺點有：①對路由器的要求高，要求目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的路由器必須開啟SNMP協(xié)議，對與未開啟SNMP協(xié)議的設(shè)備無法獲取到拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)所需要的信息；②通過SNMP協(xié)議訪問設(shè)備MIB庫時，必須知道設(shè)備MIB庫的community值，否則無法訪問設(shè)備MIB庫；③ipRoute Table表是以IP地址作為表項的索引，路由器每個端口都有一個IP地址，同一路由器多個端口ipRoute Table表的冗余信息多。

1.2.2 基于OSPF協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒?/p>

優(yōu)先開放最短路徑協(xié)議OSPF（Open shortest path first，開放式最短路徑優(yōu)先）是一種基于優(yōu)先開放最短路徑鏈路狀態(tài)選擇算法的路由協(xié)議。使用OSPF的路由器之間通過交換信息來共享整個網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)。OSPF協(xié)議以其高效的路由收斂速率和較低的網(wǎng)絡(luò)資源占用率等優(yōu)點適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。但是該方法依賴路由器采用的路由協(xié)議，對于未使用OSPF協(xié)議的路由器不能夠獲取到其與其他路由器的連接狀態(tài)。

1.2.3 基于ICMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒?/p>

基于ICMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法主要分為兩類，基于Ping命令的拓?fù)浞椒ê突赥raceroute命令的拓?fù)浞椒?。基于Ping命令的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法主要針對于鏈路層進(jìn)行拓?fù)?，向目?biāo)主機(jī)進(jìn)行Ping測試，如果主機(jī)可達(dá)便返回相應(yīng)報文?；赥raceroute命令的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法用于網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，這種方法通過向目標(biāo)地址發(fā)送TTL值從1遞增的UDP報文來探測該路徑上的路由器.當(dāng)TTL值經(jīng)過一個路由時其TTL減1，當(dāng)TTL為0時，該路由器將向源地址返回一個超時差錯報文，通過這種方式可以得到網(wǎng)絡(luò)中存在的路由器信息。

基于Traceroute命令的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法具有很好的適用性，對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)及路由器沒有要求，但是這種方法具有缺限：①效率不高，與基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法相比，速度和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；②具有盲目性，拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)只能通過向目標(biāo)地址發(fā)送報文來探測該條路徑上的路由器信息，不能夠全面、準(zhǔn)確地獲取到網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

2 網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法的改進(jìn)

為了克服以上幾種方法的缺點，本文提出了一種融合兩種拓?fù)浞椒ㄏ嘟Y(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)?。主要使用基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǎ⑹褂没贠SPF的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ㄗ鳛檩o助。這樣能夠彌補(bǔ)基于SNMP的拓?fù)浞椒ú荒茉L問未開啟SNMP協(xié)議路由器的缺點。

2.1 改進(jìn)算法流程

算法流程如下：

①初始化路由器列表ipRouteTable，將拓?fù)涑跏悸酚善餍畔⒓尤氲搅斜怼?/p>

②判斷ipRouteTable是否為空，為空執(zhí)行8），不為空則執(zhí)行3）。

③取出ipRouteTable中的一個路由器信息，存入Router_tmp。

④判斷Router_tmp是否支持SNMP協(xié)議，支持執(zhí)行5），不支持則執(zhí)行6）。

⑤使用基于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@取與該路由直連的路由信息，并將其存入ipRoute Table和XML文件Router-SNMP中，同時將路由器連接關(guān)系二元組存入到Link-R。

⑥使用基于OSPF協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@取與該路由直連的路由信息，并將其存入ipRoute Table和XML文件Router-OSPF中，同時將路由器連接關(guān)系二元組存入到Link-R。

⑦繼續(xù)執(zhí)行步驟2）。

⑧將Router-SNMP和Router-OSPF中的信息存入到Routers。

2.2 基于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒?/h3>

基于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǜ倪M(jìn)主要算法如下：

①對子網(wǎng)隊列、路由器隊列及連接隊列進(jìn)行初始化。

②將缺省網(wǎng)關(guān)IP地址加入路由器ipRouteTable隊列中。

③在對應(yīng)的拓?fù)湫畔煳募蟹謩e記錄路由器隊列及連接隊列信息、子網(wǎng)隊列記錄。

下面對路由表ipRouteTable結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，ipRouteTable列表見表1。

表1 ipRouteTable列表Table1 ipRouteTable

ipRouteDest是ipRouteTable路由信息的索引。ipRouteDest表示該條路由信息的目的地址，ipRoute Mask表示子網(wǎng)掩碼，我們能夠通過ipRouteDest和ipRouteMask得到該條路由信息對應(yīng)子網(wǎng)的信息。將從IP數(shù)據(jù)包中的目的地地與子網(wǎng)掩碼ipRoute Mask逐位進(jìn)行與運(yùn)算，如果結(jié)果等于網(wǎng)絡(luò)地址ipRouteDest，則說明該IP數(shù)據(jù)包能夠在本路由器中找到對應(yīng)的路由，最終按照本條路由信息對IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

ipRouteIndex表示路由端口的索引值，該索引值與ifTable表中的接口索引值對應(yīng)，IP數(shù)據(jù)包通過該接口轉(zhuǎn)發(fā)給下一個路由，由其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或接收。拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過程中，對路由器端口表信息進(jìn)行分析，能夠獲得下一級網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)類型信息。ipRouteType表示路由類型：當(dāng)ipRouteType為indirect時，表示間接路由，意味著到達(dá)目標(biāo)地址還需要經(jīng)過其他的路由器。

當(dāng)ipRouteType為direct時，表示直接路由，意味目標(biāo)地址與該路由器直連，那么ipRouteDest表示目標(biāo)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址，而ipRouteNextHop表示了要到達(dá)該子網(wǎng)需通過的路由器端口地址。ipRouteProto表示本條路由是通過什么協(xié)議建立。路由項可通過OSPF或者RIP建立，也可管理員手動添加（local）。通過分析路由表ipRouteTable中的信息，可以得到路由器之間的連接關(guān)系，同時也能得到與路由器直連的子網(wǎng)信息。通過讀取ipRouteTable表中的ipRouteNextHop字段，能夠得到與該路由器相連的路由器信息。同時通過ipRouteDest和ipRouteMask，也能夠判斷ipRoute NextHop是否在ipRouteDest標(biāo)識的子網(wǎng)中。

2.3 基于OSPF協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒?/h3>

每臺OSPF路由器通過相互之間發(fā)送鏈路狀態(tài)通告[17]（Link-State Advertisement，LSA）來傳遞鏈路信息。鏈路狀態(tài)通告描述了與路由器相連鏈路狀態(tài)信息，可以通過獲取這樣的鏈路狀態(tài)信息來獲得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所以，可以通過獲取并分析LSA的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。由于LSA封裝在LSU報文中，所以通過分析LSU報文便可以得到需要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

對從Router LSA和Network LSA中分析得出的關(guān)于傳輸網(wǎng)transit類型的連接關(guān)系信息進(jìn)行整合。找到Router LSA和Network LSA中DR接口IP地址相同的項，從Network LSA中找到與Router LSA路由器ID匹配的傳輸網(wǎng)地址。該算法的偽代碼如下：

3 網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)洳杉K設(shè)計與實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)洳杉K主要實網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)洳⑼負(fù)錅y量獲得的拓?fù)湫畔⒋鎯Φ骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔熘小Ｔ撃K采用基于SNMP協(xié)議和基于OSPF協(xié)議兩種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以基于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法為基礎(chǔ)，以基于OSPF的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法為輔助彌補(bǔ)基于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法的不足。最后，將拓?fù)錅y量獲得的拓?fù)湫畔⒋鎯Φ骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔熘?。網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)洳杉K工作流程如圖1所示。

根據(jù)拓?fù)淦瘘c信息初始化ipRouteTable隊列；其次，讀取ipRouteTable中存儲的路由器配置信息，判斷該路由器是對SNMP協(xié)議的支持情況。對支持SNMP協(xié)議的路由器使用SNMP拓?fù)淠K進(jìn)行拓?fù)湫畔⒉杉?，對不支持SNMP協(xié)議的路由器使用OSPF拓?fù)淠K進(jìn)行拓?fù)湫畔⒉杉?，并將采集到的路由器信息存入到ipRouteTable中。繼續(xù)遍歷ipRouteTable隊列，直到ipRouteTable為空為止。

圖1 網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)洳杉K工作流程Fig.1 Work flow chart of the network layer topology acquisition module

4 試驗結(jié)果及分析

本試驗的目的是驗證經(jīng)改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)渌惴▽W(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性，測試環(huán)境是在實驗室中搭建，由6臺路由器{R1、R2、R3、R4、R5、R6}和一個節(jié)點主機(jī)構(gòu)成，如圖2所示。

試驗配置如下：

R1-使用OSPF路由協(xié)議，并開啟SNMP服務(wù)；

R2-不使用OSPF路由協(xié)議，只開啟SNMP服務(wù)；

R3-使用OSPF路由協(xié)議，并開啟SNMP服務(wù)；

R4-使用OSPF路由協(xié)議，并開啟SNMP服務(wù)；

R5-使用OSPF路由協(xié)議，未開啟SNMP服務(wù)；

R6-使用OSPF路由協(xié)議，并開啟SNMP服務(wù)。

試驗設(shè)計如下：分別在節(jié)點主機(jī)開啟基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒?、基于OSPF的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ê蚐NMP和OSPF結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒y試程序，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)。

通過3種網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@得的拓?fù)湫畔⑷鐖D3、4所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法實驗環(huán)境Fig.2 Network layer topology discovery experimental environment

通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，在本試驗環(huán)境下基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@取到了6條路由器信息，基于OSPF的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@取到2條路由器信息，SNMP、OSPF相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)涓倪M(jìn)方法獲取到7條拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

但是，試驗環(huán)境中有6臺路由器，而SNMP、OSPF相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)涓倪M(jìn)方法獲取到了7條路由器信息。從實驗環(huán)境示意圖中可以發(fā)現(xiàn)，125.223.50.2和125.223.60.2兩個IP地址屬于同一臺路由器，是同一臺路由器的不同端口地址，這就是文中所說同名IP問題，需要通過拓?fù)湫畔⒎治瞿K的處理才能夠解決。所以，基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@取到了5條路由器信息，基于OSPF的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@取到2條路由器信息，SNMP、OSPF相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)涓倪M(jìn)方法獲取到6條拓?fù)湫畔?。所以，在本實驗環(huán)境下，SNMP、OSPF相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)涓倪M(jìn)方法具有更大的網(wǎng)路拓?fù)浞秶哂懈玫木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性。

圖3 基于SNMP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@得的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)湫畔ig.3 SNMP-based network layer topology of the network layer topology information

圖4 基于OSPF協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浞椒ǐ@得的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)湫畔ig.4 OSFP-based network layer topology of the network layer topology information

5 結(jié) 論

本文分析和比較現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估的研究現(xiàn)狀，通過對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法進(jìn)行總結(jié)，提出一種融合多種網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知方法，有效彌補(bǔ)單種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法的不足。經(jīng)過試驗驗證，該方法具有可行性，為進(jìn)一步開展網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知等相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

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