職業(yè)院校信息化網(wǎng)絡(luò)安全管理

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一、引言

職業(yè)院校的信息安全問題對于職業(yè)院校的重要程度不言而喻，而信息化程度越高，一旦發(fā)生安全事件，職業(yè)院校可能遭受的損失也就越大。隨著職業(yè)院校信息化技術(shù)的發(fā)展，職業(yè)院校信息化的規(guī)模正變得越來越大，業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的集中度也越來越高，特別在云計算技術(shù)被應(yīng)用之后，計算資源被高度的整合和集中，混合著物理設(shè)備和虛擬機的職業(yè)院校信息化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全管理的復(fù)雜程度不斷提高，這使得傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全管理方法很難理清信息系統(tǒng)之間的關(guān)系，難以發(fā)現(xiàn)并避免可能存在的安全問題，也難以尋找到有效的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備部署位置。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，職業(yè)院校信息化在計算資源被集中整合后，又開始了對數(shù)據(jù)信息的集中整合，這更加劇了職業(yè)院校信息化系統(tǒng)安全管理的重要性，提高了對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸合法、合規(guī)性的安全審核要求。軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種以軟件定義的方式來管理網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間通信轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的統(tǒng)稱，將該技術(shù)引入職業(yè)院校信息化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能夠有效地讓原本復(fù)雜且難以管控的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境變得清晰可控，從而為網(wǎng)絡(luò)的安全管理提供有力的技術(shù)支撐。本文針對職業(yè)院校信息化在新型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)安全管理問題，提出了一種從網(wǎng)絡(luò)控制層面結(jié)合職業(yè)院校業(yè)務(wù)模型的有效的網(wǎng)絡(luò)安全管理解決方案。

二、相關(guān)工作

云計算是被認(rèn)為是繼微型計算機、互聯(lián)網(wǎng)后的第三次IT革命，它不僅是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展、優(yōu)化和組合的結(jié)果，也為整個社會信息化帶來了全新的服務(wù)模式。云計算的定義在業(yè)界并未達成共識，不同機構(gòu)賦予云計算不同的定義和內(nèi)涵。其中，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院對云計算的定義是被接受和引用最廣泛的。NIST認(rèn)為，云計算是一個模型，這個模型可以方便地按需訪問一個可配置的計算資源（如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲設(shè)備、應(yīng)用程序以及服務(wù)）的公共集。這些資源可以在實現(xiàn)管理成本或服務(wù)提供商干預(yù)最小化的同時被快速提供和。云模型包括了5個基本特征、3個云服務(wù)模式、4個云部署模型。從技術(shù)的角度來看，云計算不僅僅是一種新的概念，并行計算和虛擬化也是實現(xiàn)云計算應(yīng)用的主要技術(shù)手段。由于硬件技術(shù)的快速發(fā)展，使得一臺普通的物理服務(wù)器所具有的性能遠遠超過普通的單一用戶對硬件性能的需求。因此，在職業(yè)院校信息化系統(tǒng)的構(gòu)建中，通過虛擬化的手段，將一臺物理服務(wù)器虛擬為多臺虛擬機，提供虛擬化服務(wù)成了構(gòu)建職業(yè)院校私有云的技術(shù)基礎(chǔ)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種新興的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離并直接可編程的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被分拆成應(yīng)用、控制、轉(zhuǎn)發(fā)三層分離的架構(gòu)。控制功能被轉(zhuǎn)移到服務(wù)器之上，上層應(yīng)用、底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)施被抽象成多個邏輯實體。該研究來源于斯坦福大學(xué)的一個名為CleanSlate的項目，其目的是為了在不受現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的影響下，重新設(shè)計新的網(wǎng)絡(luò)底層實現(xiàn)方案。本文針對新型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下職業(yè)院校信息化過程實際存在的問題，結(jié)合基于SDN的安全防護技術(shù)，提出一種結(jié)合職業(yè)院校網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)信息流的邏輯關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)安全管理方案，并設(shè)計出一種基于可信業(yè)務(wù)訪問關(guān)系表的網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)，使得網(wǎng)絡(luò)安全管理能夠深度結(jié)合職業(yè)院校的真實業(yè)務(wù)邏輯，并實現(xiàn)高靈活、細粒度和高性能的網(wǎng)絡(luò)安全管理。

三、新型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下職業(yè)院校信息化面臨的安全挑戰(zhàn)

所謂新型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，主要指使用了虛擬化技術(shù)來構(gòu)建職業(yè)院校信息化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這里既包括職業(yè)院校私有云的形態(tài)也包括僅適用服務(wù)器虛擬化技術(shù)的職業(yè)院校網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通常用戶的業(yè)務(wù)系統(tǒng)不僅僅存在于虛擬化環(huán)境中，由于信息化系統(tǒng)向虛擬化平臺遷移并不能瞬間完成，因此在真實的應(yīng)用場景中，往往會存在混合虛擬化環(huán)境和傳統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的情況。在這樣復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，存在以下幾個方面的安全挑戰(zhàn)：

（一）業(yè)務(wù)系統(tǒng)間信息流監(jiān)測和梳理困難的問題

梳理清楚業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的通信關(guān)系，并對業(yè)務(wù)系統(tǒng)間信息流提供實時的監(jiān)測功能，對職業(yè)院校信息化環(huán)境實施安全防護方案有著重要作用，是讓安全方案能夠真正理解業(yè)務(wù)安全需求的重要步驟之一。但由于職業(yè)院校信息化不斷向著計算系統(tǒng)的高度集中化發(fā)展，大量的業(yè)務(wù)主機集中管理在一個大型的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如私有云的環(huán)境，使得跟蹤和監(jiān)測系統(tǒng)間的信息流變得非常困難：難以找到合適的監(jiān)測點，并且由于虛擬機和物理主機的數(shù)量龐大，難以把分散在各處的監(jiān)測數(shù)據(jù)整合起來。

（二）業(yè)務(wù)系統(tǒng)邏輯網(wǎng)絡(luò)邊界難以界定和隔離的問題

業(yè)務(wù)系統(tǒng)在使用虛擬機作為服務(wù)器后，傳統(tǒng)的物理網(wǎng)絡(luò)邊界就失去了意義，虛擬機可以在虛擬化環(huán)境中進行漂移。雖然在邏輯上，一個業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍然是由原先那幾臺服務(wù)器構(gòu)成，但這幾臺服務(wù)器在物理拓撲位置上卻并不一定在一起，甚至不固定，可能隨著虛擬化環(huán)境資源的調(diào)配而發(fā)生變化，這樣就使得以邊界防護和隔離為管理目標(biāo)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全管理失去了存在的意義，同時也難以對一個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的邊界實施有效的安全隔離。

（三）安全設(shè)備監(jiān)測負載過大、噪音數(shù)據(jù)過多的問題

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量需要依靠在交換機上對數(shù)據(jù)包的捕獲，再通過安全設(shè)備進行檢測分析。而在虛擬化環(huán)境中，由于無法找到明確的網(wǎng)絡(luò)邊界，因此若想保證不存在安全監(jiān)控的盲區(qū)，往往需要在所有物理交換機或虛擬交換機上進行抓包，以保證所有可能與被監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)的通信流量都能夠被捕獲，這樣就會在捕獲到真正屬于被監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)的通信流量的同時，也抓取到大量的不屬于被監(jiān)控系統(tǒng)和主機的干擾數(shù)據(jù)，從而容易造成用于進行安全檢測和防御的安全設(shè)備接收到過量的負載而導(dǎo)致處理能力和響應(yīng)速度受到影響，同時大量的噪音數(shù)據(jù)也會影響安全檢測的準(zhǔn)確性，易產(chǎn)生大量的誤報警。

四、基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)

針對上述問題，本文給出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建的、可與新型職業(yè)院校信息化環(huán)境緊密結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)。采用集中式的管理，基于全景式的系統(tǒng)拓撲和業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)的相關(guān)知識，能夠有效地對復(fù)雜職業(yè)院校信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行細粒度的信息流梳理和安全管理。為了獲得全景式的系統(tǒng)拓撲，并能夠提高細粒度的網(wǎng)絡(luò)流安全管控能力，需要將軟件定義網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)引入到職業(yè)院校的信息化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，即需要讓整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的軟件交換機和硬件交換機都開啟對Openflow協(xié)議的支持。安全管理系統(tǒng)通過調(diào)用SDN網(wǎng)絡(luò)控制器的北向接口來獲得整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲知識，并根據(jù)需求操控業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的信息流的轉(zhuǎn)發(fā)。在混合了虛擬化（云計算）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和傳統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，傳統(tǒng)的物理交換機和虛擬交換機都需要開啟Openflow協(xié)議的支持。傳統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)仍然以物理局域網(wǎng)的邊界為安全檢測和防護的邊界，并且可以支持以虛擬局域網(wǎng)的方式在虛擬化環(huán)境中使用虛擬機以擴展傳統(tǒng)物理局域網(wǎng)的規(guī)模。為了能夠提供基于業(yè)務(wù)的安全管理，我們提出采用業(yè)務(wù)流可信表的方式來關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)模型與底層的網(wǎng)絡(luò)流安全管控。系統(tǒng)通過提供管配接口，讓安全管理員能夠?qū)ζ渎殬I(yè)院校內(nèi)部的系統(tǒng)進行邏輯邊界的建模，形成以邏輯安全邊界為管理對象的安全管理模型。業(yè)務(wù)流可信表則允許用戶以軟件定義的方式定義業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的可信互訪關(guān)系，包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)部主機間的相互訪問是否可信，不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的相互訪問是否可信等規(guī)則?；ピL關(guān)系的定義將作為SDN控制器流表的生成規(guī)則，當(dāng)互訪關(guān)系為可信時，認(rèn)為是無須監(jiān)測的業(yè)務(wù)流，Openflow的流表項上將直接轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點，不在業(yè)務(wù)流可信表中的網(wǎng)絡(luò)流量需要根據(jù)對安全設(shè)備的配置轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的安全設(shè)備接入端口。在整個業(yè)務(wù)流的安全管理流程中，安全防護和檢測的工作由專業(yè)的安全設(shè)備完成，這些安全設(shè)備被接入到職業(yè)院校的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由安全管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理。當(dāng)用戶創(chuàng)建業(yè)務(wù)系統(tǒng)模型后，即可為該業(yè)務(wù)系統(tǒng)指定邊界安全防護和檢測設(shè)備，這樣就形成了一套完整的、基于業(yè)務(wù)系統(tǒng)邏輯邊界的細粒度安全防護和檢測流程。系統(tǒng)在啟動后，通過虛擬化管控和SDN管控獲得整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，以可視化的方式將這些拓撲信息展現(xiàn)出來，并讓用戶在此基礎(chǔ)上進行業(yè)務(wù)系統(tǒng)邏輯邊界的建模，即指定哪些虛擬機屬于一個業(yè)務(wù)系統(tǒng)?；谝褎?chuàng)好的業(yè)務(wù)系統(tǒng)邏輯邊界可在業(yè)務(wù)流可信表中指定相互間的可信互訪關(guān)系以及一個業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)的主機間的互訪是否可信。通過業(yè)務(wù)流可信關(guān)系轉(zhuǎn)換模塊將定義好的表項翻譯為Openflow的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，并通過SDN管控下發(fā)到相應(yīng)的SDN交換機上。通過業(yè)務(wù)流可信表對業(yè)務(wù)邏輯和網(wǎng)絡(luò)流管控的關(guān)聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)能夠?qū)γ總€通過交換機的網(wǎng)絡(luò)流進行監(jiān)控與審計，對于符合業(yè)務(wù)流可信表定義的網(wǎng)絡(luò)流直接進行轉(zhuǎn)發(fā)，以減小安全設(shè)備的負載壓力；對于不符合業(yè)務(wù)流可信表定義的網(wǎng)絡(luò)流通過SDN的流表轉(zhuǎn)發(fā)功能，將其轉(zhuǎn)發(fā)至接入的物理安全設(shè)備上進行分析和檢測，如對于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和web服務(wù)器之間的連接關(guān)系認(rèn)為是可信的，則他們之間的網(wǎng)絡(luò)流將被直接轉(zhuǎn)發(fā)，而外部主機直接對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的訪問將被認(rèn)為不可信而需要被重定向至安全設(shè)備進行檢測。同時系統(tǒng)也通過對業(yè)務(wù)流關(guān)系的跟蹤分析提供基于業(yè)務(wù)流的安全審計預(yù)警能力，從而進一步加強整個系統(tǒng)的安全管理功能。

五、結(jié)論

本文通過分析現(xiàn)有軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用以及職業(yè)院校在新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息化系統(tǒng)所面臨的安全管理問題，提出了一種有效可行的基于業(yè)務(wù)系統(tǒng)間可信互訪關(guān)系表的網(wǎng)絡(luò)安全管理模式，利用該方法實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)能夠在業(yè)務(wù)系統(tǒng)級別實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流的安全管控，并通過與業(yè)務(wù)邏輯的結(jié)合實現(xiàn)更加細粒度和有效的安全管理，并且能夠有效降低安全設(shè)備的計算負載，是一種切實可行的網(wǎng)絡(luò)安全管理方案。

作者：程慶梅 單位：北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院