引言

　　OpenFlow是一種軟件定義網(wǎng)絡（SDN）的解決方案，它使得網(wǎng)絡的靈活性大大增加。它是以在實際環(huán)境中測試新協(xié)議為初衷而開發(fā)的新技術。OpenFlow在使用新協(xié)議時不打斷原有網(wǎng)絡的正常運行，并且使用OpenFlow的網(wǎng)絡轉發(fā)設備（Switch）實現(xiàn)了與控制器（Controller）的標準接口，新的協(xié)議、轉發(fā)方式不必重新開發(fā)網(wǎng)絡轉發(fā)設備，從而減少了不必要的麻煩（如廠家不愿意開放其技術細節(jié)，導致第三方無法進行對設備的靈活升級、使用）。OpenFlow技術使得網(wǎng)絡更加靈活，已經(jīng)成為軟件定義網(wǎng)絡的解決方案之一。現(xiàn)在已有的研究成果中，已出現(xiàn)了以OpenFlow技術實現(xiàn)QoS、路由算法［等的方法，針對如何使用OpenFlow技術解決網(wǎng)絡安全問題還是一個新的課題。

　　本文以OpenFlow技術為基礎，開展新型網(wǎng)絡安全體系結構設計方法的探索。主要研究了OpenFlow技術；并為采用隧道技術改進的OpenFlow網(wǎng)絡安全設計方法進行了探索；給出了基于OpenFlow技術的增強型網(wǎng)絡安全設計方法；最后為OpenFlow技術在未來網(wǎng)絡安全中的應用進行了展望。

　　1OpenFlow技術

　　OpenFlow是斯坦福大學CleanSlate計劃資助的一個開放式協(xié)議標準，同時也作為GENI計劃的一個子項目，主要用于在現(xiàn)有網(wǎng)絡上部署新的協(xié)議和新的業(yè)務應用叫OpenFlow技術主要由OpenFlow交換機、控制器Controller和虛擬化FlowVisor組成。OpenFlow交換機完成數(shù)據(jù)轉發(fā)；控制器Controller完成轉發(fā)策略的判斷；虛擬化FlowVisor提供一個虛擬化層，使得多個控制器可以控制同一個交換機。

　　圖1  OpenFlow技術組網(wǎng)結構

　　為了簡單起見，先不考慮網(wǎng)絡虛擬化問題，那么一個基本的OpenFlow技術組網(wǎng)結構如圖1所示，它包括OpenFlow交換機（Switch）和OpenFlow控制器（Controller）。當?shù)谝粋€數(shù)據(jù)包到達Switch后，由Switch使用OpenFlow協(xié)議通過安全通道（SecureChannel）將它轉發(fā)至Controller，Controller

　　上的軟件進行轉發(fā)決策，將轉發(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。它在設備與控制器之間釆用證書認證的方式來進行合法設備的識別，以防未授權設備的接入，從而保證控制器和系統(tǒng)本身不受攻擊。

　　圖2所示是OpenFlow交換機的流表。它包括三個部分，分別是MatchFields（表示匹配的流信息元組）、Counters（是一個數(shù)據(jù)包字節(jié)統(tǒng)計）、Instructions（表示針對這個流的處理方式）。每個流表項包括了一組Instructions,它們在當數(shù)據(jù)流匹配到這個表項時被執(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“必須”Action，分別是Output、Drop和Group。

　　2采用隧道技術改進的OpenFlow網(wǎng)絡安全設計

　　如果實現(xiàn)網(wǎng)絡安全設計，需要Controller進行逐包檢測而不是按流轉發(fā)（如上所述），因為按流轉發(fā)只能完成最簡單的包過濾防火墻的功能。為了結合目前最新的網(wǎng)絡安全技術，如深度包/流檢測，以達到對網(wǎng)絡更細粒度的保護，需要改變按流轉發(fā)的策略為按包檢測。這樣做在OpenFlow技術實現(xiàn)上是可行的，但按包檢測進行轉發(fā)會使網(wǎng)絡傳輸速率下降，使得網(wǎng)絡規(guī)模不會很大。

　　本解決方案是將流轉發(fā)至一個線速的包處理器NetFPGA進行網(wǎng)絡安全分析，以便在進行網(wǎng)絡安全檢查的同時提高轉發(fā)速率，圖3所示是基于OpenFlow技術的網(wǎng)絡安全設計圖。如果發(fā)起從PC1到PC2的訪問，其過程又需要網(wǎng)絡安全的保證，那么流量首先經(jīng)過交換機，然后控制器更新交換機的流表，于是流量就從交換機通過隧道技術轉發(fā)給了NetFPGA,由它來為轉發(fā)的流進行安全性檢測。如果通過，則將流解隧道封裝轉發(fā)到目的地PC2；不通過則丟棄。采用隧道技術進行傳輸?shù)膬?yōu)勢有三點：首先，隧道封裝后不會丟失原始流的信息，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，不會使新流和原始流（剛進入系統(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)設備（非OpenFlow設備）的兼容，以便實現(xiàn)第3部分將要提出的增強型網(wǎng)絡安全設計架構。至于NetFPGA的實現(xiàn)，則會有多種多樣，可以將現(xiàn)有網(wǎng)絡安全設備的研究成果用在這里。采用了基于OpenFlow技術的網(wǎng)絡安全設計使得網(wǎng)絡中的每個轉發(fā)設備都具備安全性功能，因為它們在轉發(fā)時要考慮控制器和NetFPGA的轉發(fā)策略，而這些策略是通過網(wǎng)絡安全技術人員精心設置的。例如，為了實現(xiàn)基于OpenFlow技術的網(wǎng)絡安全設計，應對原始OpenFlow技術進行擴充。以下是筆者提出的具體改進方案：

　　圖3  基于OpenFlow技術的網(wǎng)絡安全設計

　　首先是在流表的Instruction的ActionSet中增加check行為和tunnel_encap行為。給check行為定義三個值，分別是00（未進行安全檢查）、11（安全檢查完畢，確保安全）、10（安全檢查完畢，不安全）；同時也給tunnel_encap定義三個值，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交換機上實現(xiàn)數(shù)據(jù)隧道功能和流緩存時間統(tǒng)計功能，并且在Controller上實現(xiàn)暫存、修改流狀態(tài)功能。當PC1將流量發(fā)至PC2并經(jīng)過交換機時，由交換機將流轉發(fā)給Controller,Controller查看到傳輸?shù)哪康牡厥荘C2,則Controller將check字段設成00（未進行安全檢查），tunnel_encap字段設成11（需要隧道封裝），傳給交換機并將這個流的信息暫存。然后，交換機將PC1傳過來的流量封裝到一個IP隧道中，這個隧道的內(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，并標記為新流。再次發(fā)送新流請求給Controller（這時目的地是NetFPGA），讓其找出從交換機到NetFPGA的下一跳輸出端口（這時check值為00,tunnel_encap為00）。當交換機收到這個策略時，將其路徑寫入流表，按外層數(shù)據(jù)包匹配的流表項（PC1到NetFPGA）進行轉發(fā)。交換機上的流表項應設置緩存時間，因為上次檢查過的流沒有安全問題并不代表下一時刻流中的數(shù)據(jù)也是安全的，所以需要設置超時閾值以便于重新檢查。

　　其他交換機在轉發(fā)詢問到NetFPGA的路徑時不需要封裝，因為Controller中暫存的記錄tunnel_encap為00。當NetFPGA收到隧道包后，它將進行流內(nèi)容的安全檢查，并通知更新交換機流表將check值設為11（安全檢查完畢，確保安全）或為10（安全檢查完畢，不安全），將tunnel_encp值設為10（解封裝）。同時，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的交換機將這個流的外層隧道剝離，并再次發(fā)送內(nèi)層轉發(fā)請求給Controller以尋找到PC2的下一跳路徑。由于Controller中針對該流的暫存標記已修改為check為11、tunnel_encap為10,所以不再封裝與檢查。收到結果后，則按照內(nèi)層路徑進行轉發(fā)。這樣，數(shù)據(jù)包就從PC1傳輸?shù)搅薖C2。當交換機收到check為10的流時，丟棄數(shù)據(jù)包。

　　在基于OpenFlow技術的網(wǎng)絡安全設計中，可以設置多個Controller和NetFPGA。它們分別實現(xiàn)不同的策略，以保證網(wǎng)絡安全策略的縱深化、層次化。對于重點保護區(qū)域，設置高級別的安全策略，安全性相對較低的區(qū)域采用低級別的朿略。

　　3基于OpenFlow技術的增強型網(wǎng)絡安全設計

　　OpenFlow技術使網(wǎng)絡的部署更加靈活，使用這項技術的網(wǎng)絡安全部署也就能夠突顯出它的優(yōu)勢。

　　首先，網(wǎng)絡保護全面。網(wǎng)絡中的每個轉發(fā)設備都是防火墻/IPS/UTM，因為它們都按照Controller和NetFPGA的策略轉發(fā)。以前，網(wǎng)絡安全設備（如防火墻等）都僅部署在兩個安全級別不同的網(wǎng)絡邊界，但對同一個安全級別內(nèi)部的攻擊卻束手無策。采用了OpenFlow技術的網(wǎng)絡安全設計使得全網(wǎng)就會有一個全局的安全策略，不會出現(xiàn)‘僅防一點“的尷尬局面。所以，它的保護具有全面性。

　　其次，網(wǎng)絡保護具有均衡性。不會出現(xiàn)”木桶效應“，因為Controller和NetFPGA的策略是一致的，必要時可進行分等級的安全性部署。眾所周知，一個好的網(wǎng)絡安全設計是不應該出現(xiàn)明顯弱點的。采用了OpenFlow技術的網(wǎng)絡安全性設計使得網(wǎng)絡中沒有明顯的弱點。為了防止網(wǎng)絡被黑客攻破，可以采用分等級保護的策略。在網(wǎng)絡設計時，將網(wǎng)絡按安全性劃分出若干個邏輯等級，在每一個邏輯等級上實施不同的轉發(fā)策略，并且在同一個安全級別的邏輯網(wǎng)絡內(nèi)還可按不同應用進行策略配置。這樣，使得網(wǎng)絡的安全性策略有層次、有條理，不至于出現(xiàn)一點被攻破就全盤皆輸?shù)那闆r。所以，它的保護具有均衡性。

　　再次，網(wǎng)絡保護易于升級、維護，并且具有高可用性。Controller（或NetFPGA）內(nèi)部的轉發(fā)策略易升級，以應對新型網(wǎng)絡攻擊。由于采用了集中式的網(wǎng)絡安全保護，即安全策略是高度集中的，因此，升級病毒、攻擊特征庫僅需在中心控制設備上進行。由于OpenFlow網(wǎng)絡的特性，升級后的網(wǎng)絡設備全部具有最新更新補丁。另外，可把中心Controller（或NetFPGA）采用雙機熱備策略。備用中心節(jié)點通過”心跳“信號來檢測主中心節(jié)點是否還”活著“，如果主節(jié)點出現(xiàn)問題，備用節(jié)點馬上接管起主節(jié)點的任務。所以，OpenFlow的網(wǎng)絡安全設計具有易升級、易維護和高可用的特性。

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

　　4OpenFlow技術在未來網(wǎng)絡安全中的應用展望

　　在不久的將來，網(wǎng)絡將向著更快、更安全、更豐富和更人性化發(fā)展。目前出現(xiàn)的云計算技術代表了網(wǎng)絡的先進發(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算的服務。然而，如何識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地址不再擔當網(wǎng)絡尋址與身份的雙重任務。LISP使用戶在位置改變時，身份標識保持不變。文獻中闡述了如何使用身份標識EID和位置標識RLOC。LISP將身份標識賦予每個流，這迎合了OpenFlow的流控制技術，所以，LISP與OpenFlow技術可以完美結合。文獻［8］將OpenFlow技術引入云計算服務。在云計算數(shù)據(jù)中心，基礎服務層的設備將被替換成OpenFlow設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)，同時利用OpenFlow控制器根據(jù)用戶數(shù)據(jù)流中的EID進行轉發(fā)決策來提供安全、合法的云服務，圖4所示是OpenFlow的云計算應用方案。同時，應根據(jù)用戶的EID信息通過OpenFlow技術將不同組別的用戶劃分到不同的VLAN中，以便在網(wǎng)絡上對云計算虛擬化應用提供用戶隔離，從而保證安全性。

　　圖4  OpenFlow的云計算應用

　　5結語

　　OpenFlow技術有著廣博的發(fā)展空間，它能應用于路由、QoS、安全等各個方面。它改變了網(wǎng)絡的轉發(fā)方式，是個全新而大膽的解決方案。通過本文的分析，我們看到基于OpenFlow技術的網(wǎng)絡安全設計的優(yōu)勢，它與傳統(tǒng)方式構成的增強型設計方案使得網(wǎng)絡安全問題得到了很好的解決。最后，云計算的發(fā)展也為OpenFlow技術提供了施展的舞臺。