基于Docker的面向網(wǎng)絡(luò)空間的漏洞靶場設(shè)計與實現(xiàn)

◆唐俊曉

基于Docker的面向網(wǎng)絡(luò)空間的漏洞靶場設(shè)計與實現(xiàn)

◆唐俊曉

（周口師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河南 466000）

在網(wǎng)絡(luò)空間安全研究、網(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)和攻防演練中，靶場對于理論原理與實踐技術(shù)的結(jié)合起著重要作用。為解決資源有限的條件下靶場部署難度大、資源利用效率低的問題，基于Docker虛擬化技術(shù)，設(shè)計了一種可按需調(diào)配資源，構(gòu)建用戶靶機(jī)相互獨立的漏洞測試靶場。實踐測試表明，此系統(tǒng)可以通過構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)空間，快速部署動態(tài)靶機(jī)，便于應(yīng)用在高校網(wǎng)絡(luò)攻防平臺建設(shè)及各類網(wǎng)絡(luò)安全賽事中。

網(wǎng)絡(luò)安全；Docker容器；網(wǎng)絡(luò)虛擬化；漏洞靶場

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全形勢愈發(fā)復(fù)雜多變。網(wǎng)絡(luò)空間已成為公認(rèn)的第五空間，網(wǎng)絡(luò)安全人才是網(wǎng)絡(luò)安全發(fā)展第一資源，而漏洞是網(wǎng)絡(luò)安全重要的研究對象，各類的網(wǎng)絡(luò)安全競賽成為選拔和培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域人才的重要手段[1]?！拔粗パ芍?，未知防焉知攻”，構(gòu)建漏洞靶場系統(tǒng)，通過對漏洞進(jìn)行測試，以攻擊者的角度進(jìn)行模擬攻擊過程，從而學(xué)習(xí)漏洞成因，了解相關(guān)技術(shù)原理，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)習(xí)的基本方法。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)攻防平臺過程中也存在著許多種制約因素，主要包括：在有限資源條件下部署實驗環(huán)境難度大，需要良好的物理設(shè)備支撐，管理困難。其次，網(wǎng)絡(luò)攻防過程本身具有一定破壞性，盡管其目的不是破壞系統(tǒng)，任何不當(dāng)?shù)牟僮鞫伎赡軐χ鳈C(jī)、系統(tǒng)、應(yīng)用軟件，甚至對整個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都會產(chǎn)生一定危害和影響。虛擬化技術(shù)能較大程度上緩解以上問題，基于虛擬化技術(shù)的方式又具備有應(yīng)用場景廣、破壞性小、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點，使之成了高校網(wǎng)絡(luò)攻防平臺建設(shè)及各類網(wǎng)絡(luò)安全賽事中比較理想的實現(xiàn)手段[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)分析

本文希望設(shè)計實現(xiàn)的虛擬化漏洞靶場系統(tǒng)能夠真實再現(xiàn)漏洞存在環(huán)境，在攻防的過程中能保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，實現(xiàn)資源動態(tài)分配，節(jié)省物理設(shè)備資源。這樣的系統(tǒng)滿足以下幾個條件：（1）系統(tǒng)可以快速部署漏洞環(huán)境；（2）不同用戶創(chuàng)建的靶機(jī)環(huán)境相互獨立；（3）虛擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境能真實再現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境下漏洞的存在條件；（4）系統(tǒng)按需分配云計算資源，測試中系統(tǒng)能抵御較為劇烈的攻擊，既能達(dá)到滲透測試演練的目的，又能維持物理主機(jī)（運(yùn)行環(huán)境）的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，有效滿足培訓(xùn)練習(xí)的要求[3]。

在高校、網(wǎng)絡(luò)安全賽事等的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練中，一個靶場環(huán)境往往會分配給很多學(xué)員，若多個學(xué)員都使用同一個環(huán)境，從攻防的角度來看，培訓(xùn)的過程必然會受到影響。如果學(xué)員獨享靶場環(huán)境，又需要考慮到服務(wù)器承載能力和平臺運(yùn)行的穩(wěn)定性。此類網(wǎng)絡(luò)靶場的實現(xiàn)需要做到靶機(jī)環(huán)境獨享，且高效利用系統(tǒng)資源。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 靶場架構(gòu)設(shè)計

基于上述分析，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分為靶場系統(tǒng)模塊、Docker管理模塊和漏洞庫。如圖1所示，靶場系統(tǒng)模塊分為靶場平臺和靶機(jī)控制兩個部分，靶場平臺負(fù)責(zé)展示用戶數(shù)據(jù)和靶機(jī)信息，使用者可以通過靶場平臺開啟靶機(jī)，靶機(jī)控制模塊對使用者開啟的靶機(jī)數(shù)量進(jìn)行控制，限定每個用戶可以同時開啟的靶機(jī)數(shù)量，在用戶啟動靶機(jī)時會對靶機(jī)持續(xù)時間進(jìn)行限制，超過時間將靶機(jī)資源回收，使用者也可以自主選擇銷毀靶機(jī)環(huán)境，具體的靶機(jī)環(huán)境由Docker管理模塊對鏡像實例化后以容器的形式存儲在漏洞庫里。Docker管理模塊分為倉庫、容器、鏡像三個部分。倉庫模塊負(fù)責(zé)存儲制作好的漏洞環(huán)境鏡像，鏡像模塊負(fù)責(zé)從倉庫中獲取漏洞環(huán)境鏡像以及對鏡像添加標(biāo)簽、刪除操作，容器模塊負(fù)責(zé)本地容器的創(chuàng)建、運(yùn)行、終止和刪除，創(chuàng)建的容器的生成由鏡像實例化得到[4]。

2 靶場實現(xiàn)

2.1 相關(guān)技術(shù)介紹

復(fù)現(xiàn)的漏洞環(huán)境通常需要幾個服務(wù)組織在一起，Docker的核心思想就是如何將應(yīng)用整合到容器中，并且能在容器中實際運(yùn)行，將應(yīng)用整合到容器中并且運(yùn)行起來的過程稱為“容器化”（Containerizing）。Docker網(wǎng)絡(luò)是容器應(yīng)用之間通信的核心，也是實現(xiàn)靶場對靶機(jī)控制的核心。CNM規(guī)定了Docker網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)組成要素，CNM中3個基本要素為：沙盒（Sanbox）、終端（Endpoint）和網(wǎng)絡(luò)（Network），組件連接如下圖2所示，三個組件連接組成了Docker環(huán)境中最小的調(diào)度單位容器。系統(tǒng)搭建在Docker之上，容器之間、容器與外部網(wǎng)絡(luò)和VLAN之間的連接都依賴于不同的網(wǎng)絡(luò)，Docker封裝的一系列本地驅(qū)動，為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計提供了解決方案。其中bridge是使用最多的也是Docker默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動[5]。

2.2 部署靶機(jī)環(huán)境

在搭建虛擬化漏洞環(huán)境時，多數(shù)漏洞應(yīng)用由一些小的服務(wù)相互協(xié)同來組成完整可用的應(yīng)用，系統(tǒng)需要復(fù)現(xiàn)漏洞的存在環(huán)境，并不需要再現(xiàn)完整的生產(chǎn)環(huán)境。以部署靶場平臺為例，靶場平臺是由多種服務(wù)組織在一起實現(xiàn)的，其架構(gòu)如下圖3所示，應(yīng)用容器化的過程中，Dockerfile定義了如何構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)所使用的鏡像，Compose.yml是compose文件，主要包括Services，Volumes，Network等設(shè)置，Services定義了Docker服務(wù)的信息，Services用于配置對應(yīng)服務(wù)掛載的外部目錄，Networks通過定義不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了容器網(wǎng)絡(luò)之間的隔離。通過Docker Compose編排工具將應(yīng)用啟動，它會構(gòu)建和配置所需要的鏡像，并創(chuàng)建Docker網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)統(tǒng)一編排，統(tǒng)一部署[5]。

圖2 CNM組件連接

圖3 部署系統(tǒng)平臺流程

部署靶機(jī)環(huán)境時，將編寫好的Dockerfile和Compose文件，進(jìn)行圖3所示的容器編排部署過程，生成的應(yīng)用即為完整的漏洞環(huán)境，將其存放到漏洞庫中。為了實現(xiàn)使用時能快速啟動靶機(jī)環(huán)境，可以批量進(jìn)行此過程，預(yù)先在系統(tǒng)上部署大量漏洞環(huán)境鏡像，在實際使用中可以提供大量靶機(jī)環(huán)境供使用者選擇，使用者在開啟靶機(jī)的時候，系統(tǒng)只需通過Compose編排組件將漏洞環(huán)境進(jìn)行容器化過程即可，在系統(tǒng)使用人數(shù)較多的情況下，有效節(jié)省了靶機(jī)啟動時的資源消耗，也縮短了使用者開啟靶機(jī)的等待時間。

在實例化的過程中，靶機(jī)鏡像會存在很多相同的組件，如數(shù)據(jù)庫、Web中間件等，Docker會對要拉取的鏡像分層檢測，識別出本地已經(jīng)存在的鏡像層并直接使用，被多個鏡像共用的鏡像稱為共享鏡像，對于相似度很高的靶機(jī)鏡像，也會共享很多鏡像層。這種方式可以有

效地節(jié)省系統(tǒng)空間，提升系統(tǒng)性能。由于靶機(jī)并不是同時開啟的，此時環(huán)境鏡像作為靜態(tài)只讀文件保存在系統(tǒng)中，只占用系統(tǒng)的存儲資源。使用時系統(tǒng)按用戶的需求啟動相應(yīng)的靶機(jī)，因此可以在一臺低配置的機(jī)器上部署大量靶機(jī)，占用的只是系統(tǒng)的存儲資源。

在實際測試中，用戶開啟的靶機(jī)都是由靜態(tài)鏡像通過容器化生產(chǎn)動態(tài)靶機(jī)的過程，而不是將靶機(jī)直接部署到系統(tǒng)中，為所有使用者共享。從使用者的角度來看，不同使用者打開靶機(jī)都需要進(jìn)行容器化的過程，開啟的靶機(jī)之間都是相互獨立的，使用者可以獨享一個靶機(jī)，在漏洞測試中能更有效滿足測試需求，得到更好的用戶體驗。

2.3 虛擬網(wǎng)絡(luò)空間實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)所有模塊以及動態(tài)靶機(jī)均以容器的形式存在，容器之間是資源相互隔離的，為了實現(xiàn)系統(tǒng)對靶機(jī)的控制和管理，通過Docker網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)空間，容器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)了靶場系統(tǒng)模塊之間的連通與隔離，是部署動態(tài)靶場的關(guān)鍵技術(shù)[6]。這種網(wǎng)絡(luò)上的連通與隔離主要體現(xiàn)在靶場系統(tǒng)上，論文對系統(tǒng)的靶場平臺網(wǎng)絡(luò)和靶機(jī)控制模塊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)進(jìn)行闡述。

靶場平臺部署流程如圖3所示，為了實現(xiàn)靶場平臺基本組件之間的通信，系統(tǒng)設(shè)置了一個internal網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)模式為默認(rèn)的bridge模式，圖3所示的ctfd、mariadb、redis分別作為系統(tǒng)平臺、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)緩存，并通過compose文件定義了虛擬網(wǎng)絡(luò)internal，通過Docker Compose統(tǒng)一部署，組件之間將處于這一網(wǎng)絡(luò)。使用docker network inspect internal命令查看組件之間的網(wǎng)絡(luò)，如下圖4所示，三個組件IP處于同一C段，可以相互通信。靶場平臺是一個包含三個組件的容器，通過docker網(wǎng)絡(luò)連接，容器ctfd_ctfd_1即系統(tǒng)平臺，用戶的個人信息和實驗結(jié)果存到容器ctfd_db_1（mariadb）中，中間數(shù)據(jù)由緩存容器ctfd_cache_1（redis）存儲[7]。

圖4 平臺基本組件之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)

靶機(jī)控制模塊是實現(xiàn)系統(tǒng)資源高效利用的關(guān)鍵部分，靶機(jī)控制模塊以插件的形式連接到靶場平臺，利用靶場平臺提供插件接口，控制模塊可以在靶場平臺上對容器進(jìn)行管理。

如下圖5中，靶場平臺接入的網(wǎng)絡(luò)B用于平臺組件之間的聯(lián)系，也就是internal網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上，使用docker network create ctfd-containers系統(tǒng)默認(rèn)創(chuàng)建一個bridge模式的網(wǎng)絡(luò)，也就是網(wǎng)絡(luò)B，用于靶機(jī)平臺對靶機(jī)容器進(jìn)行管理。啟動的靶機(jī)容器都會加入到ctfd-containers網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B都是bridge模式，沙盒被放置在容器內(nèi)部，為容器提供網(wǎng)絡(luò)連接，靶機(jī)的一個終端（接口）連接到了網(wǎng)絡(luò)A。靶場平臺容器有兩個終端（接口）并且分別與網(wǎng)絡(luò) A 和網(wǎng)絡(luò)B相連。因為網(wǎng)絡(luò)A的存在，此時靶場平臺與靶機(jī)之間是可以相互通信的，由于沒有三層路由器的支持，靶場平臺容器的兩個終端之間將不能進(jìn)行通信。

圖5 靶場系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)模塊

在資源隔離方面，由于沙盒機(jī)制的存在，容器之間還是處于資源相互隔離的狀態(tài)。靶場平臺啟動靶機(jī)控制插件后，通過使用命令docker network inspect ctfd-containers，查看兩個模塊是否已經(jīng)加入到同一網(wǎng)絡(luò)模塊下，加入成功后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容器IP處于同一C段，可以進(jìn)行通信。

靶場控制模塊由一系列的腳本文件構(gòu)成，以插件的形式運(yùn)行在靶場平臺，通過靶場平臺可視化管理界面對靶機(jī)進(jìn)行集中控制和管理，無須使用Docker命令工具，很大程度上提高了系統(tǒng)使用效率，降低了系統(tǒng)維護(hù)的難度[8]。

3 靶機(jī)啟動

靶場平臺是整個系統(tǒng)的核心，開啟靶機(jī)環(huán)境前，需要準(zhǔn)備好靶機(jī)環(huán)境的Dockerfile或者Docker鏡像倉庫的地址，將獲取到的鏡像存放在漏洞庫中，便于系統(tǒng)獲取靶機(jī)環(huán)境鏡像。

靶機(jī)啟動流程如圖6所示，系統(tǒng)首先會啟動靶場平臺，這是系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，靶場啟動后，接著啟動靶場控制插件，靶場平臺調(diào)用靶場控制插件來對容器進(jìn)行管理。

圖6 靶機(jī)啟動流程

靶場控制插件啟動完成后，首先對靶機(jī)鏡像完整性進(jìn)行判斷，漏洞庫中已經(jīng)存在靶機(jī)鏡像，對靶機(jī)鏡像進(jìn)行實例化，如果沒有此鏡像，通過Dockerfile或Docker鏡像倉庫獲取靶機(jī)鏡像。系統(tǒng)繼續(xù)對靶機(jī)環(huán)境實例化結(jié)果進(jìn)行判斷，一個可成功實例化的鏡像，配置文件中組件之間的聯(lián)系必須是Compose能正常處理的，組件的組網(wǎng)方式也要符合Docker的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，否則啟動結(jié)束，提示靶機(jī)開啟失敗。最后，會將啟動的靶機(jī)實例加入到靶機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，用于控制用戶可以開啟靶機(jī)的數(shù)量，并根據(jù)系統(tǒng)限定的到期時限開始計時，準(zhǔn)備對開啟時間超時的靶機(jī)進(jìn)行銷毀，經(jīng)過以上的流程，靶機(jī)啟動結(jié)束[9]。

4 結(jié)語

通過對Docker虛擬化技術(shù)的研究，本文設(shè)計實現(xiàn)了一種面向網(wǎng)絡(luò)空間的漏洞靶場。在靶場實現(xiàn)方面，靶場預(yù)先部署大量漏洞環(huán)境鏡像，通過Docker的鏡像共享技術(shù)，減小了系統(tǒng)存儲開銷，使用時系統(tǒng)按需求實例化相應(yīng)漏洞鏡像，節(jié)省了靶機(jī)啟動時的資源消耗，也縮短了使用者的等待時間。在資源分配方面，利用Docker豐富的網(wǎng)絡(luò)模式，可以降低網(wǎng)絡(luò)虛擬化過程中額外的設(shè)備性能損失，很好地使容器和網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行直接的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了靶場對靶機(jī)的統(tǒng)一管理，同時也提升了系統(tǒng)的性能。綜上所述，此靶場系統(tǒng)為高校網(wǎng)絡(luò)攻防平臺建設(shè)和各類網(wǎng)絡(luò)安全賽事提供了較有效的解決方案，為建設(shè)一個能夠靈活組網(wǎng)并支持多樣化的網(wǎng)絡(luò)空間靶場打下了良好的基礎(chǔ)。

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周口師范學(xué)院大學(xué)生科研創(chuàng)新基金項目（ZKNUD2020020）