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基于p4交换机的网络扫描技术研究与实现

基于P4交换机的网络扫描技术研究与实现

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作者：吴柏年广州大学

学位级别：硕士

近年来,随着物联网、云计算等技术的广泛应用,网络资产的数量和类型呈指数增长。同时,网络攻击手段也在不断演进,从蠕虫病毒、木马攻击发展到现在的高级持续威胁。面对日益严峻的网络安全威胁,网络管理人员不仅要及时发现和管理网络资产... 详细信息

近年来,随着物联网、云计算等技术的广泛应用,网络资产的数量和类型呈指数增长。同时,网络攻击手段也在不断演进,从蠕虫病毒、木马攻击发展到现在的高级持续威胁。面对日益严峻的网络安全威胁,网络管理人员不仅要及时发现和管理网络资产,还要准确掌握资产的安全状态,以便及时发现并应对网络攻击。目前,主要使用网络资产扫描技术来获取目标网络甚至整个网络中的主机行为。现有的网络扫描技术,虽然能够有效地判定端口状态和识别操作系统,但存在一定局限性:1)传统网络扫描工具主要部署于网络边缘的主机上,并非数据包处理的专门设备,处理包的速度有限;2)当前的端口扫描工具部署在p4交换机上来加快端口扫描速率,虽取得了一定成效,但由于需要兼容目标设备,一定程度上限制了扫描速率和扫描主机Ip时的随机性;3)当前的操作系统扫描工具虽在扫描高速性和识别准确率上各有成效,但无法同时兼具两者,难以应对未来更加复杂的网络环境。针对上述扫描技术的不足,本文提出以下三点创新:(1)针对当前端口扫描方案中存在的Ip随机而扫描端口线性递增、与控制平面存在大量交互等问题,提出了一种基于p4交换机的双循环切片算法pDLS,扫描时不仅能同时随机Ip和端口进行扫描,提升隐蔽性,还能减少与控制平面交互的次数,一次配置即可扫描整个网络空间,有效提升扫描速率。基于pDLS算法设计实现了端口扫描原型系统ppscan。硬件测试表明,ppscan与IMap相比,资源占用减少了近50%,探测报文发送速率提升了7%;面对多元化的扫描场景,也具有更好的随机性。(2)针对当前操作系统扫描方案不能兼顾高性能和高准确率的现状,提出了一种基于p4交换机的主动操作系统扫描方法pAOS,结合了Nmap的指纹库和p4的高性能,能够进行高速扫描。基于pAOS方法设计实现了操作系统扫描原型系统pOscan。硬件测试表明,pOscan与Nmap相比,pOscan虽在准确率上略有降低,有0.18%的误报率和3.1%漏报率,但其在探测报文发送速率上提升了20倍。(3)本文基于上述pDLS算法和pAOS方法,设计并实现了一个基于p4交换机的网络扫描原型系统pNscan,其具有端口扫描和操作系统扫描功能。同时,在当前网络环境下进行了功能性验证。

关键词：网络资产扫描端口扫描操作系统扫描 p4交换机

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基于p4交换机的多模式字符串匹配技术研究与实现

基于P4交换机的多模式字符串匹配技术研究与实现

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作者：陈世越广州大学

学位级别：硕士

多模式字符串匹配在入侵检测、防火墙和流量识别等领域已被广泛应用,通过匹配网络流量中与特定模式相对应的数据,来实现对网络流量的分类和分析。随着网络带宽日益增长,传统的多模式字符串匹配方法难以满足高速网络流量处理需求。当前... 详细信息

多模式字符串匹配在入侵检测、防火墙和流量识别等领域已被广泛应用,通过匹配网络流量中与特定模式相对应的数据,来实现对网络流量的分类和分析。随着网络带宽日益增长,传统的多模式字符串匹配方法难以满足高速网络流量处理需求。当前多模式字符串匹配方法面临以下挑战:基于CpU/GpU/FpGA的多模式字符串匹配方法无法满足高速网络流量需求,而基于p4交换机的多模式字符串匹配方法虽然可满足高速流量需求,但不支持数据包分片、分段和会话规则检测等场景。针对多模式字符串匹配存在的上述挑战,提出了全新的基于p4交换机的高速流式匹配方法,包括支持Ip分片的多模式字符串匹配方法ppMFp(p4-based pattern Matching for Fragmented packets)和支持TCp分段、会话规则检测的多模式字符串匹配方法ppMSp(p4-based pattern Matching for Session packets),以支持数据包分片、分段和会话规则检测场景的多模式字符串匹配。与传统方法相比,该类流式方法不需要对数据包进行缓存和重组后再进行模式匹配,而是逐包流式处理。在此基础上设计与实现原型系统ppMCS(p4-based pattern Matching for Complex Scenarios),并在Bmv2和Tofino架构的交换机与BOLT进行了对比实验。本文的主要创新点如下:(1)针对现有基于p4交换机的多模式字符串匹配方法不能支持数据包分片场景,本文提出ppMFp方法,该方法支持分片数据包的流式检测。实验结果表明,与BOLT相比,ppMFp方法在32*100G端口Tofino交换机上,在混合并发分片数据流的情况下能有效提升检测精确度。(2)针对现有基于p4交换机的多模式字符串匹配研究不能支持数据包分段和会话规则检测的场景,本文提出ppMSp方法,该方法支持分段数据包和会话的流式检查。实验结果表明,与BOLT相比,ppMSp方法在32*100G端口Tofino交换机上,在混合并发TCp分段数据流情况下和并发会话数据流情况下能有效提升检测准确度。(3)基于p4交换机设计并实现了一种支持复杂场景的多模式字符串匹配原型系统ppMCS,并验证了系统的有效性。实验结果表明,在UDp、TCp混合流以及Ip分片等情况下,该系统的检测准确率为80.2%以上。

关键词：多模式字符串匹配 p4交换机 Ip分片入侵检测系统

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基于OVN架构的负载均衡系统设计与实现

基于OVN架构的负载均衡系统设计与实现

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作者：李力东南大学

学位级别：硕士

数据中心是为众多网络服务提供计算、存储资源的重要基础设施,随着云计算与虚拟化技术的发展,数据中心的数量与规模都在不断扩大,汇集到数据中心的数据流量以指数级增长,负载均衡成为云数据中心必备的基础网络功能,该机制能够有效处理... 详细信息

数据中心是为众多网络服务提供计算、存储资源的重要基础设施,随着云计算与虚拟化技术的发展,数据中心的数量与规模都在不断扩大,汇集到数据中心的数据流量以指数级增长,负载均衡成为云数据中心必备的基础网络功能,该机制能够有效处理并发流量,提升资源使用率,对改善托管在数据中心的云服务性能至关重要。经过多年研究与实践,SDN网络架构在控制面和数据面都取得了较大突破。众多开源和商用的控制器出现,以集中控制的方式完成数据中心网络的管理并提供各种网络功能。数据面从软件交换机发展为协议无关架构的硬件交换机,逐渐兼具了灵活性与高转发性能。SDN架构在数据中心网络得到了广泛应用,负载均衡模块的部署方式也随之产生新的变化,该模块不仅能够部署于高成本的专有硬件,还可以部署到可编程的软件或硬件交换机上。本文对SDN控制器、数据面可编程技术、负载均衡算法与部署方案进行了研究,设计并实现基于SDN架构的网络负载均衡系统,将负载均衡功能纳入控制层管理,通过智能网卡与p4交换机实现数据层转发加速,满足企业级数据中心负载均衡需求。论文主要工作如下:(1)设计了一个完整的数据中心网络负载均衡系统。基于SDN设计了以OVN为集中控制器,以OVS和p4交换机为数据转发层的基础网络架构,该架构使负载均衡模块可以部署于软件或硬件网关之上,同时提供网络配置服务。(2)设计了基于节点负载的动态反馈负载均衡算法。该算法根据服务特质与反馈信息以定时或阈值触发的方式在全局视角下调整后端节点的分配权重。实验结果表明,在系统运用了反馈均衡算法后,可将计算密集型请求的响应时间平均降低33.5%,将存储密集型请求的吞吐量平均提升37.56%,能够实现资源的有效利用。(3)实现了负载均衡系统并进行功能和性能测试。控制层运用反馈均衡算法实现有权重的负载均衡决策,转发层将OVS、p4交换机分别作为软件、硬件网关部署负载均衡模块,其中p4交换机由BMV2模拟并利用VXLAN技术与逻辑网络联通,另外基于Open Stack和Web服务的云管理平台使用OVN插件实现网络配置模块。测试结果表明,该系统网络配置模块有效,能够运用反馈算法实现负载均衡决策,后端节点具备健康检查功能,网络中异构设备可以协同工作。

关键词：数据中心 SDN 负载均衡 OVN控制器 p4交换机

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