網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)生安全試驗場管理技術(shù)

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）

1 引言

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

2 虛實結(jié)合的試驗場管理架構(gòu)

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。

2.1 需求分析

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。

2.2 架構(gòu)設(shè)計

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。

3 內(nèi)生安全軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

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)。

3.1 異構(gòu)開源SDN控制器執(zhí)行體

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。

3.2 控制器架構(gòu)

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。

3.3 擬態(tài)裁決的流程設(shè)計

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。

4 可快速切換場景的試驗場部署管理技術(shù)

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。

4.1 虛實結(jié)合的試驗場典型組網(wǎng)方案

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)。

4.2 場景重構(gòu)與資源編排

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。

5 結(jié)束語

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。