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面向SDN的流规则冲突检测方法研究

面向SDN的流规则冲突检测方法研究

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作者：周胜安徽大学

学位级别：硕士

软件定义网络(SDN)给计算机网络带来了巨大的活力。它主要将传统分布式网络的控制平面和数据平面彻底解耦,并使用一个逻辑集中的控制器来控制整个分布式的数据平面,从而实现集中式的网络管理和配置,提高了网络管理的效率并降低了网络配... 详细信息

软件定义网络(SDN)给计算机网络带来了巨大的活力。它主要将传统分布式网络的控制平面和数据平面彻底解耦,并使用一个逻辑集中的控制器来控制整个分布式的数据平面,从而实现集中式的网络管理和配置,提高了网络管理的效率并降低了网络配置的复杂度。SDN可以让上层应用程序灵活的控制和修改数据平面中的数据包。当网络规模越来越大,各种不同的应用程序都会同时在一个网络上工作。此时多个不同的应用有可能在同一时间对同一个数据包进行控制和操作,从而造成该数据包处理的混乱。在SDN中,上层应用程序是通过制定流规则并部署到数据平面中来控制和操作数据包的,因此我们将上述数据包处理混乱的情况称之为流规则冲突。本文围绕SDN中流规则冲突问题进行研究,充分调研了国内外的研究现状,并针对发现的问题进行详细分析,提出了以下两个解决方案。(1)基于事务的流规则冲突检测与解决方案。SDN中流规则冲突可能造成不同网络功能相互干扰和失效问题,本文针对该问题提出了基于事务的流规则冲突检测与解决方案(TCDR)。TCDR提出了一个流规则事务的概念,一个流规则事务表示一个完成某一网络功能的流规则集合,并且这个流规则集合在操作上呈现原子性,即一同部署、一同更新、一同删除。在流规则事务的基础上,TCDR采用了一个基于事务的流规则冲突分析算法(TRCA),保障了网络功能的独立性。除此之外,恶意应用程序会主动生成带有冲突的流规则来攻击网络,因此加强应用层安全也是减少流规则冲突的一个重要途径。TCDR对此提出了一个基于事务的认证方案,对应用程序以及更加细粒度的网络功能进行认证,保障了流规则来源的安全性。本文在开源的Floodlight控制器的基础上,实现了TCDR系统原型,并通过实验测试和性能评估证明了本方案有良好的可行性与有效性。(2)可查询的流规则冲突检测方案。由于流规则冲突检测主要在控制器中完成,当网络规模越来越大,流规则数量也越来越多时,不可避免给控制器带来越来越大的负担。针对该问题,本文随后提出了一个可查询的流规则冲突检测方案(QCDR)。QCDR主要建立在控制器中并将网络中的流规则及其相互作用转化成一个流规则文本,然后为上层应用程序提供一个查询接口,允许上层应用程序使用正则表达式有针对性地对网络中的流规则进行查询。控制器在接收到上层应用的查询时,将正则表达式转换成相应的确定性有限状态自动机,然后对流规则文本进行匹配,其匹配到的结果对应的流规则即为上层应用程序想要查询的流规则。在此基础上,上层应用在制定流规则时,即可主动查询网络中与之相关的流规则,在应用程序本地即可进行流规则冲突的检测。这可以使得应用程序有能力尽可能地避免向控制器下发带有冲突的流规则,大大降低了控制器在流规则冲突检测所带来的负担。本文在TCDR系统原型的基础上,进一步实现了QCDR的相关模型并进行了实验测试和性能评估。实验表明,在流规则数量增多时,QCDR能够有效地抑制控制器在流规则冲突检测过程中资源消耗的增长。

关键词：软件定义网络 OpenFlow 流规则冲突网络安全

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基于知识图谱的SDN网络故障检测技术研究

基于知识图谱的SDN网络故障检测技术研究

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作者：梁思韵电子科技大学

学位级别：硕士

随着新时代计算机网络的发展,各行各业开始了数字化转型,用户对网络的可靠运行提出了更高的要求,如果不能及时检测故障,将会对日常生活和社会生产造成影响。SDN的分布式架构给网络带来灵活性的同时带来了新的故障问题,传统检测方法不一... 详细信息

随着新时代计算机网络的发展,各行各业开始了数字化转型,用户对网络的可靠运行提出了更高的要求,如果不能及时检测故障,将会对日常生活和社会生产造成影响。SDN的分布式架构给网络带来灵活性的同时带来了新的故障问题,传统检测方法不一定适用。与此同时,知识图谱这项新技术以优秀的知识表达与推理能力,在医学、电商等领域投入使用,利用三元组的形式描述客观世界的实体以及实体之间的关系。因此,本文将SDN与知识图谱结合,研究利用知识图谱实现SDN故障检测的方案。主要工作包括:第一,设计了基于知识图谱的SDN故障检测框架,包括知识存储、知识管理、故障检测应用三大部分。知识管理定时更新存储部分的知识图谱,并为故障检测应用提供知识检索和知识推理的接口。这样管理员只需关注应用逻辑而无需关注底层逻辑。第二,构建了SDN故障检测的知识图谱模式层,采用SDN网络实时拓扑信息作为实例层。利用了控制器集中统一的特点以及知识图谱对于实体关系的表达能力,将SDN网络设备、端口、流表等关系复杂的实体关联起来,为故障检测提供基础。第三,分别提出基于异常流量和基于流规则冲突的故障检测方法。对于异常流量的故障检测,选用Packet-In数量作为交换机异常监控指标,再通过筛选流规则计算源地址熵值实现主机异常监控,利用知识图谱对拓扑信息的关系推理查找出异常源头;对于流规则冲突故障检测,将多分支的匹配关系分类转换成产生式规则形式,并利用属性的对称性、传递性实现单级流表和多级流表的流规则冲突检测。最后,选取ONOS控制器和Mininet网络仿真平台搭建环境,使用Jena工具定时更新知识图谱的实例层网络信息,并进行功能测试和性能测试。实验结果表明,知识图谱可以完成基于异常流量和流规则冲突的故障检测工作,规则的编写与运行逻辑清晰,良好的知识表达使系统人机可读且容易修改与扩展,便于构建统一的管理系统。

关键词：软件定义网络知识图谱故障检测异常流量流规则冲突

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软件定义网络中控制信息一致性检测技术研究

软件定义网络中控制信息一致性检测技术研究

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作者：朱梦迪安徽大学

学位级别：硕士

软件定义网络（Software defined networking,SDN）的提出,为计算网络带来了新的发展方向。它将传统网络的控制层与数据转发层分离开,控制层通过北向接口为应用层提供数据平面设备的状态,通过南向接口指导数据层的分组转发。软件定义网... 详细信息

软件定义网络（Software defined networking,SDN）的提出,为计算网络带来了新的发展方向。它将传统网络的控制层与数据转发层分离开,控制层通过北向接口为应用层提供数据平面设备的状态,通过南向接口指导数据层的分组转发。软件定义网络在简化了网络管理的同时,但也带来了新的安全威胁。当用户需求日益复杂时,网络中的应用程序会不断增加,多个应用程序为同一个网络制定转发策略时,可能会产生策略冲突,从而使得控制层出现冲突的编译流规则;当数据层设备更新不及时或者出现软硬件故障时,都可能引起数据层的具体转发行为与控制层配置不一致的情况,以上这些都是需要各界关注的安全问题。本文主要研究内容如下:（1）针对控制层流规则的冲突问题,提出了一个基于事务的控制层一致性检测模型（TCVM）。该检测模型是由应用层与数据层共同协作实现的。首先,TCVM模型为应用程序生成的每个网络功能分配事务号与优先级;其次,若应用程序的检测结果为非恶意程序,TCVM为该应用程序生成的网络功能分配公有密钥与私有密钥,用于对每个事务的签名认证。签名认证是为了确保应用层给控制层发送消息的过程中,程序制定的策略没有被恶意更改。随后,在控制层对应用程序生成的流规则集合进行冲突检测。若出现冲突,则对发生冲突的策略进行修复;若不存在冲突,将流规则集合发送到数据层进行分组转发。最后,在Mininet上进行仿真实验。实验结果表明,TCVM模型能够快速检测到网络中的冲突流规则,并对冲突流规则进行实时修复。（2）针对软件定义网络中控制平面与数据平面流规则不一致的问题,提出了VeriC一致性检测模型。首先,在入口交换机上对数据流进行采样;然后,在采样数据包上添加标签字段,对数据包的转发情况进行记录,将更新的实际标签值上传到控制平面;其次,通过验证算法确定数据包的实际转发路径是否满足一致性检查;若不满足一致性检测,通过实际标签值与正确标签值对比,定位故障交换机。最后,在NS-3模拟器进行仿真实验。实验结果表明,VeriC检测模型不仅能够进行一致性检测,而且可以对错误交换机进行精确定位。

关键词：软件定义网络流规则冲突一致性网络安全

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