基于混沌序列的SDN地址跳變方案?

涂 德李 偉

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 武漢 430074）（2.武漢烽火立云網(wǎng)絡(luò)科技有限公司 武漢 430074）

1 引言

近年來不斷有大型網(wǎng)絡(luò)安全事件發(fā)生，人們已經(jīng)意識(shí)到傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防御技術(shù)已經(jīng)越來越難以應(yīng)對(duì)層出不窮的網(wǎng)絡(luò)攻擊。突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)防御應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)的靜態(tài)、被動(dòng)式的防御體系，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的重要研究方向。在此背景下，移動(dòng)目標(biāo)防御（MTD）［1］技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。移動(dòng)目標(biāo)防御的防御思路完全不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)防御，它并不是要建立一套毫無破綻的系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)攻擊，相反，它是要構(gòu)造一個(gè)具有彈性的防御系統(tǒng)，在此防御系統(tǒng)中，系統(tǒng)的屬性能夠自動(dòng)改變、不斷變化，從而使系統(tǒng)對(duì)攻擊者來說是不可預(yù)測(cè)的。

地址跳變技術(shù)［2～3］是移動(dòng)目標(biāo)防御網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)典型技術(shù)，地址跳變是指通信雙方在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中按照一定規(guī)則偽隨機(jī)的改變地址信息，極大地增長攻擊者的攻擊難度和代價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)防御。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)地址跳變會(huì)有以下困難：一是地址隨機(jī)變化將使其他與之通信的節(jié)點(diǎn)無法及時(shí)感知，容易造成會(huì)話中斷；二是終端主機(jī)地址隨機(jī)變化往往需要改變終端主機(jī)配置，限制了地址跳變的頻率。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）［4～6］是近幾年來提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一次革新，OpenFlow［7～8］作為其核心技術(shù)，將控制平面從網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器中的數(shù)據(jù)平面分離出來，為網(wǎng)絡(luò)虛擬化帶來了極大的靈活性。在SDN架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)的管理是由控制器來集中控制的，所以可以讓跳變控制器控制數(shù)據(jù)傳輸路徑上的交換機(jī)，使其對(duì)成功匹配的數(shù)據(jù)包進(jìn)行地址的改寫。因此，地址跳變?cè)赟DN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的實(shí)現(xiàn)變得切實(shí)可行。

本文將混沌序列［9～13］引入 SDN 網(wǎng)絡(luò)地址跳變中，以混沌序列作為地址跳變圖案生成的基礎(chǔ)，解決了靜態(tài)跳變規(guī)則容易破解的問題，最后用Mini?net仿真［14～15］驗(yàn)證了方案的有效性。

2 混沌序列及跳變圖案的生成

混沌序列是一種偽隨機(jī)序列，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有很好的隨機(jī)性，難以分析和預(yù)測(cè)。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的精度是有限的，所以當(dāng)用有限精度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無限精度的混沌系統(tǒng)時(shí)，不可避免地會(huì)使混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生退化，因此解決此問題成為混沌序列能否運(yùn)用于實(shí)際的關(guān)鍵，許多研究人員為此做了大量的研究工作。

2.1 生成混沌序列

本文采用基于擾動(dòng)的雙Logistic映射耦合算法［16］生成所需的混沌序列，一個(gè)映射作為擾動(dòng)參數(shù)發(fā)生器，另一個(gè)作為混沌序列發(fā)生器。使用擾動(dòng)參數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擾動(dòng)參數(shù)，去更新混沌序列發(fā)生器的控制參數(shù)，既可以延長混沌序列輸出軌道的長度，也能使輸出序列分布的均勻性加強(qiáng)。

生成該混沌序列的算法為

其中，xn為混沌序列發(fā)生器的反饋輸入值，bm為混沌序列發(fā)生器的混沌序列控制參數(shù)，xn+1為混沌序列輸出值；為擾動(dòng)參數(shù)發(fā)生器的反饋輸入值，b′為擾動(dòng)參數(shù)發(fā)生器的擾動(dòng)控制參數(shù)，為擾動(dòng)輸出值。 xn，∈(0，1)。cnt為式（1）上一次更新后的迭代次數(shù)，為保證混沌特性這里規(guī)定bm，b′∈(3.57，4)。

本算法為式（1）～（6）的組合。式（1）和式（2）是兩個(gè)獨(dú)立的Logistic映射混沌系統(tǒng)。式（2）的輸出在滿足 0.357≤≤0.4并且 cnt≥100條件時(shí)，由10取代式（1）的控制參數(shù)bm。在更新控制參數(shù)的同時(shí)，對(duì)式（2）中的變量加入一個(gè)擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)是通過式（1）和式（2）的輸出 xn+1和相加的和取尾數(shù)反饋給或?qū)⒅苯臃答伣o，如式（5）。每次迭代后xn+1直接反饋給xn。

2.2 混沌序列的歸一化

當(dāng)然，按照上述算法所產(chǎn)生的混沌序列的值都是大于0小于1的，要想使用這些序列，還需要對(duì)混沌序列的值進(jìn)行歸一化。因?yàn)檫@里是要將混沌序列的值用作地址跳變的IP地址，所以要將混沌序列的值歸一化為1～254之間的值。本文采用的歸一化方法是，對(duì)每個(gè)混沌序列的值取其小數(shù)點(diǎn)后第4位到第6位的值，并將其對(duì)254取余，然后再加上1，這樣就可以得到1～254之間的值，即完成歸一化。

根據(jù)上述混沌算法和歸一化方法，在Matlab中用代碼實(shí)現(xiàn)，其中混沌算法的初始值分別設(shè)置為x0=0.5361089，=0.9157241，bm=3.9814902，b′=4，M=130生成序列后，在Matlab中繪出的點(diǎn)圖如下圖1所示。

圖1 歸一化后的序列

2.3 根據(jù)序列生成跳變圖案

在得到歸一化之后的混沌序列后，要將歸一化后的混沌序列轉(zhuǎn)化為所對(duì)應(yīng)的IP地址，首先得到服務(wù)器所處的網(wǎng)段，然后依次取得序列的值，將序列的值作為IP地址的最后一段，即得到了地址跳變的圖案。

跳變圖案示例如表1所示。

表1 跳變圖案示例

3 SDN地址跳變模型

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)模型

系統(tǒng)的架構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)模型

在圖2所示的系統(tǒng)架構(gòu)模型中，客戶端和服務(wù)器分別與OpenFlow交換機(jī)相連，即數(shù)據(jù)通過Open?Flow交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)OpenFlow交換機(jī)又通過安全數(shù)據(jù)通道與SDN控制器相連，SDN控制器可以獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，下發(fā)控制命令給各OpenFlow交換機(jī)，從而達(dá)到控制和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的目的。

就地址跳變的角度而言，SDN控制器負(fù)責(zé)跳變圖案的生成，跳變圖案是基于混沌序列生成的，跳變圖案生成后，由SDN控制器以O(shè)penFlow流表的形式下發(fā)給各OpenFlow交換機(jī)，OpenFlow交換機(jī)在收到控制器下發(fā)的流表后，會(huì)根據(jù)流表中所定義的規(guī)則，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。

由于SDN的邏輯集中控制，地址跳變的實(shí)現(xiàn)完全由跳變控制器和跳變交換機(jī)完成，地址的跳變對(duì)通信雙方來說是透明的，所以通信雙方只需要根據(jù)正常流程通信即可。

3.2 地址跳變流程

通信雙方地址跳變示意圖如圖3所示。

其中rIPa為客戶端a的真實(shí)IP地址，rIPb為服務(wù)器b的真實(shí)IP地址，vIPb為服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)特定時(shí)隙的虛假IP地址。

在Tn時(shí)刻，當(dāng)客戶端a給服務(wù)器b發(fā)送消息時(shí)，整個(gè)處理流程如下：

1）客戶端a發(fā)送數(shù)據(jù)包到OpenFlow交換機(jī)S1；2）OpenFlow交換機(jī)S1按照流表中定義的規(guī)則進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)包的目的IP被修改為vIPb，這里的vIPb為Tn時(shí)刻地址跳變?cè)O(shè)備根據(jù)SDN控制器下發(fā)的流表進(jìn)行數(shù)據(jù)包匹配時(shí)，目的IP所需要被改成的值；

3）數(shù)據(jù)包經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)到達(dá)OpenFlow交換機(jī)S2；

4）OpenFlow交換機(jī)S2按照流表中定義的規(guī)則進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)包的目的IP被修改為rIPb；

5）OpenFlow交換機(jī)S2將數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器b。

圖3 地址跳變示意圖

在Tn+1時(shí)刻，當(dāng)客戶端a再給服務(wù)器b發(fā)送消息時(shí)，整個(gè)處理流程和Tn時(shí)發(fā)送消息一樣，只是此時(shí)的vIPb不再是Tn時(shí)刻的vIPb了，控制器會(huì)根據(jù)跳變圖案定時(shí)的下發(fā)新的流表給OpenFlow交換機(jī)，所以此時(shí)的vIPb是Tn+1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的vIPb。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的地址跳變方案，采用了網(wǎng)絡(luò)仿真工具M(jìn)ininet搭建SDN網(wǎng)絡(luò)。Mininet是目前應(yīng)用比較廣泛的研究SDN網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)，可以通過命令讓Mininet生成所需要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，且命令中還提供了選項(xiàng)以用來設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)，如交換機(jī)的dpid、主機(jī)的Mac地址等。本文采用POX作為SDN控制器來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的地址跳變功能。首先啟動(dòng)Mininet，通過命令讓Mininet生成一個(gè)包含兩臺(tái)交換機(jī)與兩臺(tái)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并連接POX控制器，搭建的SDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D與圖2結(jié)構(gòu)類似。

Tn時(shí)刻，在Mininet中用主機(jī)h1去ping主機(jī)h2（Mininet中默認(rèn)生成的h1和h2的IP地址分別為10.0.0.1和10.0.0.2），然后通過wireshark對(duì)控制器端口進(jìn)行抓包，通過分析，發(fā)現(xiàn)有2條OpenFlow協(xié)議的流表下發(fā)過程，表2為Tn到Tn+1間某時(shí)刻SDN控制器下發(fā)的流表信息。

在Tn+1時(shí)刻，再用主機(jī)h1去ping主機(jī)h2，同時(shí)wireshark繼續(xù)抓包，可以發(fā)現(xiàn)又有兩條OpenFlow協(xié)議的流表下發(fā)，表3為Tn+1到Tn+2間某時(shí)刻SDN控制器下發(fā)的流表信息。

表2 Tn到Tn+1間某時(shí)刻SDN控制器下發(fā)流表信息

表3 Tn+1到Tn+2間某時(shí)刻SDN控制器下發(fā)流表信息

從表2可以看出，交換機(jī)Switch1（第一跳交換機(jī)）的流表操作是匹配源目的IP地址10.0.0.2，然后執(zhí)行更改目的IP地址為跳變圖案中的IP地址152.0.0.43，交換機(jī)Switch2（最后一跳交換機(jī)）的流表操作是匹配跳變圖案所指的目的IP地址152.0.0.43，然后執(zhí)行更改目的IP地址為源目的IP地址10.0.0.2，并從指定端口轉(zhuǎn)發(fā)。

對(duì)比表3和表2可以發(fā)現(xiàn)，流表項(xiàng)中的匹配項(xiàng)或者執(zhí)行動(dòng)作有所改變，代表SDN控制器根據(jù)跳變圖案下發(fā)了新的流表。所以在通信過程中，由于SDN控制器根據(jù)基于混沌序列生成的跳變圖案下發(fā)流表給各OpenFlow交換機(jī)，然后通過首尾交換機(jī)的地址跳變，使服務(wù)器端的IP地址偽隨機(jī)的不斷變化，極大地增加了攻擊的難度和代價(jià)。

5 結(jié)語

本文在SDN地址跳變技術(shù)的現(xiàn)有成果的研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的提出了基于混沌序列的地址跳變方案，將混沌序列運(yùn)用到地址跳變技術(shù)中，使地址跳變結(jié)合了混沌序列的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，解決了靜態(tài)跳變規(guī)則容易被破解的問題，增加了網(wǎng)絡(luò)攻擊的難度，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的防御能力。

在下一步的研究中，準(zhǔn)備將混沌序列引入到端口跳變中，使得端口跳變也擁有混沌序列所帶來的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，利用同樣的原理增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的防御能力。