軟件定義網(wǎng)絡(luò)中DDoS攻擊研究綜述

文/高曉楠

近年來隨著網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增長(zhǎng)以及流量模式的不斷變化，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系已經(jīng)不再適用，SDN架構(gòu)做為一種新的網(wǎng)絡(luò)體系產(chǎn)生。在SDN中，控制和數(shù)據(jù)平面是分離的，網(wǎng)絡(luò)信息和狀態(tài)在邏輯上是由控制器集中控制的，應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的抽象。SDN體系結(jié)構(gòu)以其集中監(jiān)控和資源調(diào)配、安全策略等基本功能增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性，而這些功能在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系中并不存在。這些特性為SDN在抵御DDoS攻擊提供了新的機(jī)會(huì)。在當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，高可用性至關(guān)重要，而拒絕服務(wù)（DoS）攻擊和分布式服務(wù)（DDoS）泛洪攻擊是破壞網(wǎng)絡(luò)可用性的主要方法。DoS攻擊或DDoS攻擊是企圖使其目標(biāo)用戶無法使用網(wǎng)絡(luò)資源。由于DoS攻擊可以被視為一種特殊類型的DDoS攻擊，因此在本文的其余部分中，我們只使用術(shù)語(yǔ)DDoS攻擊來指示DoS和DDoS攻擊。雖然SDN的功能（例如，基于軟件的流量分析，邏輯上的集中控制，網(wǎng)絡(luò)的全局視圖以及轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的動(dòng)態(tài)更新）使得檢測(cè)和響應(yīng)DDoS攻擊變得容易，但是SDN中數(shù)據(jù)平面與控制平面的分離也增加了新的攻擊機(jī)會(huì)。 SDN控制層本身可能成為某些攻擊的目標(biāo)，并且SDN平臺(tái)上可能存在潛在的DDoS漏洞。例如，攻擊者可以利用SDN的特性對(duì)SDN的控制層，基礎(chǔ)設(shè)施層平面和應(yīng)用層發(fā)起DDoS攻擊。

圖1：DDoS攻擊流程

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)的特征

1.1 動(dòng)態(tài)流量控制

將網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)平面解耦，可以方便地設(shè)計(jì)和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)流量控制算法，從而使網(wǎng)絡(luò)流量控制更加高效。

用此功能，我們可以動(dòng)態(tài)地將惡意網(wǎng)絡(luò)流與良性網(wǎng)絡(luò)流分開，而無需像在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上那樣安裝防火墻。例如，基于IΕΕΕ802.1X標(biāo) 準(zhǔn)（ΕAPOL中 的 ΕAPOL） 擴(kuò) 展 的FlowNAC[1]，實(shí)現(xiàn)了基于流的網(wǎng)絡(luò)訪問控制，并用于評(píng)估和分類來自用戶的傳入幀。

1.2 集中控制和網(wǎng)絡(luò)全局視圖

SDN實(shí)現(xiàn)了邏輯上的集中控制，這使得使SDN能夠及時(shí)接收所有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，以便監(jiān)控和提供網(wǎng)絡(luò)中的任何威脅。CloudWatcher[2]便是利用此功能在基于SDN的云環(huán)境上進(jìn)行安全監(jiān)控的框架之一。

1.3 可編程網(wǎng)絡(luò)

SDN通過應(yīng)用程序編程接口（API）提供控制平面可編程性。有了這個(gè)特性，網(wǎng)絡(luò)管理員可以很容易地為安全應(yīng)用程序制作一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序或算法。Fresco[3]就是一個(gè)在SDN的應(yīng)用層面編寫安全應(yīng)用的例子，F(xiàn)RΕSCO 部署在開源控制器 NOX 之上，由應(yīng)用層和安全執(zhí)行內(nèi)核兩部分組成。同時(shí)，它提供了由 Python 腳本語(yǔ)言編寫的 API 接口，使得研究人員可以自己編寫具有安全監(jiān)控和威脅檢測(cè)功能的 Module 安全模塊。

1.4 數(shù)據(jù)平面

SDN中數(shù)據(jù)平面設(shè)備只進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)即可，所有指令由控制層下發(fā)。數(shù)據(jù)平面的擴(kuò)展有AVANT-GUARD[4]，通過引入連接遷移和執(zhí)行觸發(fā)器模塊，當(dāng)新的數(shù)據(jù)包到達(dá) SDN 的交換機(jī)時(shí),交換機(jī)首先檢測(cè)流表中是否存在與該數(shù)據(jù)包匹配的流表項(xiàng)。若流表中包含與該數(shù)據(jù)包匹配的流表項(xiàng),則交換機(jī)按照相應(yīng)的流表項(xiàng)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包。否則,AVANT-GUARD 便啟動(dòng)連接遷移功能,將相關(guān)的數(shù)據(jù)包信息遷移至連接遷移模塊。

2 DDoS攻擊概述

如上文所述，DDoS通過從多個(gè)來源發(fā)送大量的虛假數(shù)據(jù)包，使服務(wù)器變得不可用。早期DoS攻擊屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)攻擊，只有一個(gè)源攻擊者和單個(gè)受害者。隨著時(shí)間的推移，它的攻擊方式逐漸演變?yōu)橥ㄟ^控制網(wǎng)絡(luò)中大量分布式的傀儡主機(jī)同時(shí)向受害者發(fā)起攻擊。即使現(xiàn)在，DDoS攻擊也很容易執(zhí)行，DDoS攻擊流程如圖1所示。

2.1 DDoS攻擊分類

DDoS大體可以分為兩種類型。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的DDoS攻擊

攻擊者操縱攻擊源向目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送大量的垃圾流量，致使其可用帶寬急劇降低，從而導(dǎo)致目標(biāo)主機(jī)無法與外界進(jìn)行正常通信，常見的攻擊方法有UDP Flood和ICMP Flood。UDP Flood攻擊使用大量的UDP數(shù)據(jù)包（隨機(jī)或同一端口）來攻擊受害者，而ICMP Flood使用ICMP的回顯請(qǐng)求數(shù)據(jù)包來干擾到達(dá)受害者的合法流量。

2.1.2 應(yīng)用層的DDoS攻擊

即主機(jī)資源耗盡型攻擊，利用目標(biāo)主機(jī)提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的某種特性發(fā)送超出目標(biāo)主機(jī)處理能力的虛假請(qǐng)求，大量占用諸如內(nèi)存、CPU等系統(tǒng)資源。例如SYN泛洪攻擊，發(fā)送大量偽造的TCP連接請(qǐng)求，從而使得被攻擊方資源耗盡。

2.2 SDN中的DDoS攻擊

（1）在應(yīng)用層，SDN的北向接口開放性使得惡意代碼植入成為了可能。

（2）在控制層，攻擊者可以通過發(fā)送大量新流，使邏輯集中的控制器帶寬資源耗盡，造成單點(diǎn)失效。

（3）在數(shù)據(jù)層，攻擊方式類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過發(fā)送大量數(shù)據(jù)包阻塞數(shù)據(jù)傳輸鏈路，或者利用協(xié)議漏洞造成系統(tǒng)拒絕服務(wù)。

3 DDoS防御技術(shù)分析

通常來講阻止受害者服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)或主服務(wù)器的連接是抵御DDOS攻擊的唯一方法。然而阻止源是最困難的方式，因?yàn)楣粽咄ㄟ^DDoS攻擊從大量分布式僵尸主機(jī)發(fā)起攻擊，因此防御是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。本節(jié)，我們將介紹各種現(xiàn)有的DDOS攻擊檢測(cè)和防御方法。

DaMask[5]提出了兩個(gè)模塊：DaMask-D是基于異常的檢測(cè)模塊，DaMask-M是具有策略選擇和日志生成功能的防御模塊。DAMASK-D檢測(cè)模塊采用概率圖模型，解決了數(shù)據(jù)集移位問題。當(dāng)DaMask-M收到DaMask-D的警報(bào)時(shí)，DaMask-M匹配不同攻擊的合適對(duì)策，并在網(wǎng)絡(luò)控制器上為新類型的攻擊（未記錄在日志數(shù)據(jù)庫(kù)中）注冊(cè)一個(gè)新的對(duì)策策略。T Chin等人提出了類似的方法[6]。針對(duì)SYN洪水攻擊，使用Monitors和 Correlators協(xié) 作 來 防 范。Monitors與DaMask-D具有相同的作用，而Correlators與DaMask-M具有相同的作用。

VAVΕ[7]是 對(duì) Source Address Validation Improvements（SAVI）的改進(jìn)，用于對(duì)抗IP欺騙。VAVΕ采用OpenFlow協(xié)議以全局視角解決源地址驗(yàn)證問題，它可以分析網(wǎng)絡(luò)上的所有流量，并動(dòng)態(tài)更新防止IP欺騙的規(guī)則。

CPRecovery[8]提供了SDN控制器的主備份復(fù)制方法，可用于從發(fā)生故障的主控制器平滑過渡到另一個(gè)輔助（備份）控制器（復(fù)制階段），反之亦然（恢復(fù)階段）。這個(gè)轉(zhuǎn)換由非活動(dòng)探測(cè)器通過狀態(tài)更新消息進(jìn)行標(biāo)記，狀態(tài)更新消息在兩個(gè)控制器上交換。這種方法可以防止SDN在遭受DDoS攻擊時(shí)造成單點(diǎn)失效。

FlowTrApp[9]提出了一種流量分析框架，通過對(duì)流的速率和流持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)來識(shí)別攻擊流量。在第一次檢測(cè)到異常時(shí)不會(huì)阻止攻擊者，當(dāng)攻擊者頻繁發(fā)送與合法流量模式不匹配的惡意流量時(shí)，才會(huì)進(jìn)行阻止。

Belyaev[10]等人引入了新的負(fù)載均衡方法，成功增加了DDoS攻擊成本。當(dāng)服務(wù)器上發(fā)生攻擊時(shí)，負(fù)載均衡算法開始重寫路由表，使用Bellman-Ford算法定義到端點(diǎn)服務(wù)器的最短路徑，以分散攻擊流量。

SHDA[11]提出了一種應(yīng)用層防御機(jī)制，可以檢測(cè)和防御與合法用戶具有類似流量模式的慢速HTTP DDOS攻擊。SHDA一旦通過檢測(cè)算法發(fā)現(xiàn)有不完整的HTTP請(qǐng)求，便會(huì)通過控制器更新流規(guī)則。

4 總結(jié)與展望

SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以其集中的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和資源調(diào)配、集中的規(guī)則控制等功能增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)安全性，將網(wǎng)絡(luò)發(fā)展推向動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)、高效的新層面。然而這些新特性也增加了新的攻擊機(jī)會(huì)，之前針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全工作無法適用于SDN中，這其中最為顯著的威脅就是DDoS攻擊。本文有助于了解如何充分利用SDN的優(yōu)勢(shì)來抵御DDoS攻擊，以及如何防止SDN本身成為DDoS攻擊的受害者，這對(duì)SDN避免遭受DDoS攻擊至關(guān)重要。