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基于ebpf和ConvLSTM的5G-R网络安全审计系统研究

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铁道标准设计 2024年第4期68卷 203-210页

作者：陈律李辉刘畅中国铁道科学研究院研究生部北京100081 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所北京100081 国家铁路智能运输系统工程技术研究中心北京100081

在铁路5G专网快速发展的背景下,铁路网络信息安全关系到铁路运行安全等方面。但当前成熟的铁路网络安全设备多是针对可能存在的非法入侵、外网干预等外部安全隐患,对于内部使用不当或通信异常带来的安全问题,还未有系统性的检测方法。因... 详细信息

在铁路5G专网快速发展的背景下,铁路网络信息安全关系到铁路运行安全等方面。但当前成熟的铁路网络安全设备多是针对可能存在的非法入侵、外网干预等外部安全隐患,对于内部使用不当或通信异常带来的安全问题,还未有系统性的检测方法。因此,提出一种可同时进行网络内外异常检测、集流量抓取和数据分析为一体的实时性较强的网络安全审计系统成为迫切需要。设计从网络安全审计的三大关键技术出发,分别对应本系统的数据采集、数据解析、流量识别三个模块,并说明系统在网络中部署的环境与位置。具体运用了ebpf技术抓取网络流量数据包,利用深度学习的数据预处理方法提取其中特征信息,并导入已训练好的ConvLSTM模型中进行预测,最终判断是否出现异常流量。通过两个数据集的实验验证并与传统算法进行对比,此网络安全审计系统针对外部攻击流量的预测准确率可以达到0.97,针对内部通信异常预测准确率为0.96,实现了对外部或内部因素导致的网络流量异常问题的监测与排查,以便快速反应采取进一步措施。针对5G-R场景进行的网络安全审计系统设计和研究可以为未来铁路面临的网络安全挑战提供技术支撑和帮助。

关键词：铁路通信 5G-R 网络安全审计 ebpf 深度学习 ConvLSTM

Container Instrumentation and Enforcement System for Runtime Security of Kubernetes Platform with ebpf

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Intelligent Automation & Soft Computing 2023年第8期37卷 1773-1786页

作者： Songi Gwak Thien-Phuc Doan Souhwan Jung Soongsil University Seoul06978Korea

Containerization is a fundamental component of modern cloud-native infrastructure,and Kubernetes is a prominent platform of container orchestration systems.However,containerization raises significant security concerns due to the nature of sharing a kernel among multiple containers,which can lead to container breakout or privilege escalation.Kubernetes cannot avoid it as well.While various tools,such as container image scanning and configuration checking,can mitigate container workload vulnerabilities,these are not foolproof and cannot guarantee perfect isolation or prevent every active threat in runtime.As such,a policy enforcement solution is required to tackle the problem,and existing solutions based on LSM(Linux Security Module)frameworks may not be adequate for some situations.To address this,we propose an enforcement system based on BPF-LSM,which leverages ebpf(extended Berkeley Packet Filter)technology to provide fine-grained control and dynamic adoption of security policies.In this paper,we compare different LSM implementations to highlight the challenges of current enforcement solutions before detailing the design of our ebpf-based Kubernetes Runtime Instrumentation and Enforcement System(KRSIE).Finally,we evaluate the effectiveness of our system using a real-world scenario,as measuring the performance of a policy enforcement system is a complex task.Our results show that KRSIE can successfully control containers’behaviors using LSM hooks at container runtime,offering improved container security for cloud-native infrastructure.

关键词： Container kubernetes runtime security ebpf enforcement

基于ebpf的云环境下payload进程检测方法

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计算机应用研究 2023年第7期40卷 2157-2161页

作者：王圣凯阮树骅汪邓喆四川大学网络空间安全学院成都610065

针对目前云环境下攻击载荷(payload)所体现出的新特征以及目前检测方法性能损耗较高的问题,提出了一种利用ebpf技术在内核态检测反向连接类payload进程从而定位被入侵容器的方法。该方法在内核态对服务端TCP连接进行监控,通过筛选TCP标... 详细信息

针对目前云环境下攻击载荷(payload)所体现出的新特征以及目前检测方法性能损耗较高的问题,提出了一种利用ebpf技术在内核态检测反向连接类payload进程从而定位被入侵容器的方法。该方法在内核态对服务端TCP连接进行监控,通过筛选TCP标志位定位疑似反向连接类payload进程所在容器,并对该容器进程组后续访问文件行为进行追踪以控制损害。实验证明,该方法可以有效检测出并定位被入侵容器,且其性能消耗极低,多线程性能Unixbench分数损耗仅为0.53%。

关键词： ebpf sock连接分析 payload检测异常容器定位访问文件监控

基于ebpf和朴素贝叶斯算法的容器HTTP DDoS检测系统研究

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基于eBPF和朴素贝叶斯算法的容器HTTP DDoS检测系统研究

作者：吕阳紫星广州大学

学位级别：硕士

随着云计算和容器技术的不断演进,越来越多的应用程序被部署在容器环境中。容器技术凭借灵活、高效和可移植等优势,广受开发者青睐。然而,容器技术的迅速发展也带来了一些安全挑战。容器的网络拓扑通常较为复杂且缺乏稳固的安全性,使得H... 详细信息

随着云计算和容器技术的不断演进,越来越多的应用程序被部署在容器环境中。容器技术凭借灵活、高效和可移植等优势,广受开发者青睐。然而,容器技术的迅速发展也带来了一些安全挑战。容器的网络拓扑通常较为复杂且缺乏稳固的安全性,使得HTTP DDo S(Distributed Denial of Service)攻击在容器网络环境中的问题日益凸显。本文提出了一种基于ebpf(extended Berkeley Packet Filter)和朴素贝叶斯算法的容器HTTP DDo S检测方法,有针对性地解决容器易受HTTP DDo S攻击的问题。本文的主要工作包括:(1)采用ebpf技术在容器内核中捕获和处理应用层HTTP数据包,有效避免内核与用户空间频繁交互所导致的资源消耗和时间成本,从而实现更高的检测效率和更低的服务器负担,更适用于轻量级容器应用防护。(2)提出一种基于朴素贝叶斯算法的HTTP DDo S攻击检测方案,充分发挥了该算法的优势。通过研究多种类型的HTTP DDo S攻击特征,有效识别不同类型的HTTP DDo S攻击,实现对攻击流量的高效、稳定的检测和分类,同时对未知类型的攻击数据包的判断也较为准确。(3)实现一个基于ebpf和朴素贝叶斯算法的容器HTTP DDo S检测系统原型,能够准确识别和分类容器中的HTTP DDo S攻击流量。对多种HTTP DDo S攻击类型,该系统的平均检测准确率高达96.97%,并能在较低的服务器资源消耗下实现较高的检测准确率。通过综合评估实验对比,本文提出的基于ebpf和朴素贝叶斯算法的容器HTTP DDo S检测系统在各方面相较于流行的入侵检测系统Snort都表现出一定优势。不仅具有更高的检测准确率和更低的系统资源消耗,还能适应未知类型的攻击流量。因此,本研究为容器应对HTTP DDo S攻击提供了一种高效的解决方案。

关键词：容器安全 ebpf 朴素贝叶斯算法 HTTP DDoS检测

基于ebpf与深度学习的DDoS攻击检测系统设计与实现

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基于eBPF与深度学习的DDoS攻击检测系统设计与实现

作者：昌武洋南京邮电大学

学位级别：硕士

网络安全是各个行业在向数字化与智能化转变过程中重要的保障。DDoS(Distributed Denial of Service)攻击虽然已经诞生超20年,但其攻击事件频繁发生、攻击类型不断更新使得它仍然是一个打破网络安全的威胁。攻击检测系统作为一种主动检... 详细信息

网络安全是各个行业在向数字化与智能化转变过程中重要的保障。DDoS(Distributed Denial of Service)攻击虽然已经诞生超20年,但其攻击事件频繁发生、攻击类型不断更新使得它仍然是一个打破网络安全的威胁。攻击检测系统作为一种主动检测攻击的DDoS攻击防御手段,一直是网络安全领域的研究热点。近年来,研究人员基于机器学习和深度学习提出了多种优秀的DDoS攻击检测方法。然而,在以上研究方向的工作中存在以下两个问题:第一,基于公开数据集构建攻击检测模型,少有完整的系统构建;第二,采用独立于攻击检测模型的网络流量数据采集工具与攻击检测模型协作完成攻击检测任务,导致攻击检测与数据采集分离,系统内模块的协作效率较低。因此,开发出数据采集模块和攻击检测模块紧密协作的完整的DDoS攻击检测系统具有重要意义。本文研究了基于ebpf(extend Berkeley Packet Filter)与深度学习的DDoS攻击检测系统。首先,在需求分析和设计中,本文分析了系统的功能需求和非功能需求,设计了系统整体架构以及数据采集模块和攻击检测模块的组成,结合ebpf与深度学习设计了各模块的实现方法。然后,在基于全连接神经网络(Fully Connected Neural Network,FCNN)模型的DDoS攻击检测研究中,本文提出了一种基于FCNN模型的DDoS攻击检测方法。该方法分为数据集生成、数据集预处理、FCNN模型训练和DDoS攻击检测四个部分的工作流程。本文提出的方法实现的系统与Fine Lame的DDoS攻击检测性能和系统负载对照实验得出的结果证明本文提出的方法实现的系统具有较高的检测准确率和较低的系统负载。最后,本文对基于ebpf与深度学习的DDoS攻击检测系统进行了实现。通过系统功能测试,结果证明系统能够正常执行DDoS攻击检测任务,将预测的DDoS攻击者的信息反馈给用户。通过各项测试证明,本文设计并实现的基于ebpf与深度学习的DDoS攻击检测系统交互步骤简洁,满足系统需求,能够处理异常情况,本文所做的研究具有可行性和有效性。

关键词： Linux ebpf 深度学习全连接神经网络 DDoS攻击检测

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基于ebpf的容器网络系统优化设计与实现

基于eBPF的容器网络系统优化设计与实现

作者：张旭东北京交通大学

学位级别：硕士

容器、Kubernetes、云计算和云原生技术的高速发展,解决了传统物理机、虚拟机场景下应用开发部署、弹性伸缩的难题,使得大量主机、服务迁移上云。而网络作为云环境三大基石之一,是私有云场景下大规模主机、服务容器化改造绕不开的话题,... 详细信息

容器、Kubernetes、云计算和云原生技术的高速发展,解决了传统物理机、虚拟机场景下应用开发部署、弹性伸缩的难题,使得大量主机、服务迁移上云。而网络作为云环境三大基石之一,是私有云场景下大规模主机、服务容器化改造绕不开的话题,为此,本文针对容器化改造过程中集群内部容器网络通信、集群外与集群内容器网络通信中遇到的问题进行分析与研究,并将ebpf这种扩展内核功能的基础技术应用于网络通信场景:在集群内容器网络互通场景下,为了优化容器间网络通信效率,本文分析了现行开源网络方案Flannel,并基于其流量转发时协议栈冗余的短板,创新性地提出了基于ebpf技术优化隧道流量处理的方法,设计实现了相关的容器网络系统,该系统在同节点网络通信上引入IPVLAN虚拟网卡技术,在跨节点通信上通过ebpf程序嵌入内核以优化数据包转发路径。实验结果表明,相较于传统网络方案,本方案在同节点通信约有5%左右的通信性能提升,跨节点通信时RTT下降约20%,短连接效率提升约40%,整体数据包处理延时更低、新建连接效率更高。在集群外部访问集群内服务的异构网络通信场景下,本文提出了基于ebpf技术和路由技术的虚拟网关方案,网关通过BGP协议动态发布容器集群网段,将数据中心内通往Overlay容器的数据包进行引流,使用ebpf程序进行隧道封装和转发,以解决集群外主机访问容器、跨集群容器互访时的网络隔离问题,同时本文就虚拟网关节点带来的路由跳数冗余和带宽限制问题,进行了热点流量的数据包路径优化,并进行了系统设计实现、功能验证和性能测试,实验结果表明了本网关系统在功能和性能上满足需要,能解决私有云场景下集群内外的异构网络通信隔离问题,并相较于原生的Linux协议栈转发有约13%的性能提升。上述两方面系统整体部署应用于公司私有云场景内,支撑和优化了上万规模的节点通信,解决了实际的云计算领域工程难题,为上层技术和业务发展提供了容器网络基石。

关键词： ebpf 容器网络网络虚拟化 CNI

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基于ebpf的分布式云原生网关设计与实现

基于eBPF的分布式云原生网关设计与实现

作者：叶元鹏浙江大学

学位级别：硕士

为应对容器化部署的微服务对外稳定提供开放API挑战,出现了多种API网关,如Spring Cloud Gateway、Zuul、Kong和Istio Gateway。虽然每个网关都有其优势,但也存在一些局限性,如在高并发场景中负载均衡模块的高资源占用率、请求排队和处... 详细信息

为应对容器化部署的微服务对外稳定提供开放API挑战,出现了多种API网关,如Spring Cloud Gateway、Zuul、Kong和Istio Gateway。虽然每个网关都有其优势,但也存在一些局限性,如在高并发场景中负载均衡模块的高资源占用率、请求排队和处理延迟、单个网关代理宕机引发单点故障和流量控制策略扩展困难。此外,在容器化部署场景下,还需要兼容Dubbo、Spring Cloud框架对外提供服务。针对以上不足,本文提出了一套扩展性强、高可用、高性能的网关解决方案,本文的主要贡献如下:(1)针对网关插件开发困难和兼容传统微服务协议问题,开发了网络插件扩展模块,嵌入到网关代理中,以实现插件热升级和部署。实现了MCP服务器,将传统微服务Dubbo和Spring Cloud的服务注册列表集成到API网关管理平台中。(2)针对Kubernetes响应式伸缩策略存在响应延迟、资源不足无法满足服务质量要求的问题,采用基于ebpf的指标采集程序替代Metrics Server采集网关代理的并发请求量,提供给Kubernetes HPA组件作为网关代理弹性伸缩判断标准。这种方式提高了弹性伸缩的响应速度,减少了6.08%的服务损失率,提升了Web应用的服务质量。网关接入层采用ebpf技术替代Nginx在多个网关代理之间进行负载均衡,实现了四层的负载均衡加速,请求延时减少了25.6%,吞吐量平均增加了7.1%。(3)针对传统最小连接算法无法在性能差异大的节点之间平衡负载的问题,在网关代理做后端服务器负载均衡时,采用了改进的动态权重负载均衡,考虑了节点负载的各种指标,并且在请求失败次数占比大时,采用一致性哈希保证服务质量。该策略提升了系统的整体资源利用率,减少了负载不平衡度,在高并发场景下请求失败次数较传统的轮询和最小连接算法减少了很多。实验结果表明,本文提出的基于ebpf的高性能、分布式、扩展性强的云原生分布式API网关系统能够平稳运行,API网关管理平台解决了传统协议接入困难的问题,网关代理中的插件扩展模块实现了网络插件的热升级部署,后端负载均衡器应用ebpf技术和改进的动态权重负载均衡策略实现了高性能,针对网关代理的弹性伸缩模块和网关入口层负载均衡器一起保证了系统的高可用性。

关键词：分布式API网关 ebpf 弹性伸缩负载均衡

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基于ebpf的虚拟化网络与云原生网络应用

网络安全与数据治理 2023年第2期42卷 9-18页

作者：施苏峰东南大学网络空间安全学院江苏南京211189 网络通信与安全紫金山实验室江苏南京211111

近年来,随着ebpf的内核代码安全注入机制的发展,ebpf已经在网络优化、性能监控等方面获得大量应用。介绍了ebpf在网络功能虚拟化领域的应用概述,以及其基于容器架构发展而来的云原生网络功能领域的应用概述,并举出了ebpf用于上述领域的... 详细信息

近年来,随着ebpf的内核代码安全注入机制的发展,ebpf已经在网络优化、性能监控等方面获得大量应用。介绍了ebpf在网络功能虚拟化领域的应用概述,以及其基于容器架构发展而来的云原生网络功能领域的应用概述,并举出了ebpf用于上述领域的典型应用:网络功能虚拟化领域的负载均衡、快速丢包、限流应用,以及云原生网络功能领域的Kubernetes容器网络加速、服务网格加速应用。

关键词： ebpf 网络功能虚拟化云原生负载均衡 Kubernetes 服务网格

基于非侵入式数据采集的微服务依赖关系发现方法

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网络空间安全科学学报

网络空间安全科学学报 2023年第2期1卷 112-121页

作者：付楠程光滕跃戴广晔陈子涵付睿哲东南大学网络空间安全学院南京211189 江苏省泛在网络安全工程研究中心南京211189 紫金山实验室南京211189 宾州州立大学工程学院帕克校区宾州16803

随着云计算和云原生技术的发展,大规模应用在云上的部署、扩展和管理等方面变得更加灵活,国内企业应用迁移上云成为趋势。然而,面向大规模且复杂的应用,服务依赖关系发现作为故障检测和定位的基础变得十分困难。现有数据采集技术需要修... 详细信息

随着云计算和云原生技术的发展,大规模应用在云上的部署、扩展和管理等方面变得更加灵活,国内企业应用迁移上云成为趋势。然而,面向大规模且复杂的应用,服务依赖关系发现作为故障检测和定位的基础变得十分困难。现有数据采集技术需要修改原有应用代码并很难覆盖全部容器网络,没有将流量数据与拓扑结构相关联,使得生成的服务依赖关系视野局限且效果不佳。针对以上问题,文章提出了基于非侵入式数据采集的微服务依赖关系发现方法。该方法主要包含基于ebpf技术的数据采集方法 Barnacle和基于流量和拓扑数据关联的服务依赖关系发现。文章描述了Barnacle的实现方案,设计了容器网络的跨层拓扑发现框架,对比分析了Barnacle的性能,并展示了使用Barnacle挖掘服务依赖关系的案例。实验表明,Barnacle满足非侵入、用户透明、跨层关联、高性能和高覆盖范围的要求。与现有数据采集技术相比,使用Barnacle挖掘服务依赖关系可以获得更完备的微服务种类,发现更完整的依赖关系,提供更广泛的监测视角。

关键词：流量采集拓扑发现微服务依赖 ebpf Kubernetes