云計(jì)算作為一種新技術(shù),其在過去十年中經(jīng)歷了十分快速且顯著的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)關(guān)系到了每個(gè)人的生活。在云計(jì)算的研究過程中,研究人員們提出了許多有關(guān)云計(jì)算的新的概念,比如“多租戶,”,這是網(wǎng)絡(luò)中按需訪問的一個(gè)可配置計(jì)算資源的共享池,它可以以最少的管理工作和更低的成本來快速提供和發(fā)布資源,這也使許多公司和組織將其傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心遷移到云中。此外,由于云計(jì)算具有諸多突出的特性,比如允許多用戶間共享和外包資源的虛擬化,可擴(kuò)展性,靈活性,敏捷性以及通過優(yōu)化高效的計(jì)算以降低運(yùn)營復(fù)雜性等,這同樣也吸引了許多組織將其數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移到云中,依靠它來解決多個(gè)用戶的訪問需求,并且提高了資源利用率以適應(yīng)快速變化的業(yè)務(wù)需求。然而,在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心遷移到云的過程中,我們會遇到各種安全問題,這些問題隨著最新引入的云計(jì)算的概念也得到了升級,并且會導(dǎo)致確保云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的安全變得更加困難。事實(shí)上,由于云本身的大規(guī)模性,直接訪問云基礎(chǔ)架構(gòu)的移動設(shè)備的出現(xiàn),以及個(gè)人和組織數(shù)據(jù)會實(shí)時(shí)添加到云等特性,它們都會進(jìn)一步擴(kuò)大云的漏洞,使服務(wù)可靠性,可用性和性能更容易受到敵手惡意活動的影響。此外,還存在一系列其他的問題,包括當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)配置的靜態(tài)性質(zhì)、云操作與底層轉(zhuǎn)發(fā)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的緊密耦合,以及作為主要通信媒介的網(wǎng)絡(luò)依賴關(guān)系等。而對于云的訪問機(jī)制,當(dāng)前也缺乏一種協(xié)調(diào)和彈性的防御機(jī)制。這些問題也進(jìn)一步加劇了云計(jì)算會面臨的安全風(fēng)險(xiǎn),使云更容易被偽裝為合法用戶的敵手訪問。為了解決這些安全問題,研究人員進(jìn)行了廣泛的研究工作,并且提出了許多不同的防御技術(shù)和解決方案,包括內(nèi)置安全功能的新型硬件,高安全性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,防火墻,入侵檢測系統(tǒng)(IDS)和入侵防御系統(tǒng)(IPS),以及昂貴的惡意軟件檢測工具,如防病毒程序和滲透測試工具。雖然多年來這些防御方法在復(fù)雜性和規(guī)模上都有顯著的增長,但攻擊者仍然能夠有效地突破基于檢測的安全防御措施,從而給出極具價(jià)值的且不對稱的時(shí)間來執(zhí)行目標(biāo)系統(tǒng)的探查工作,以此來研究并確定云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的潛在漏洞。SDN的發(fā)明使得人們能夠通過(?)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的功能(即數(shù)據(jù)平面)與控制平面分離,以實(shí)現(xiàn)動態(tài)和靈活的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。而為建立動態(tài)且主動的安全防御機(jī)制,研究人員提出了(?)云計(jì)算安全保護(hù)機(jī)制轉(zhuǎn)變的新的創(chuàng)新方法�；谶@種全新的SDN方法,研究人員提出一種新型博弈轉(zhuǎn)換安全防御方法,我們稱之為基于SDN的MTD�；赟DN的MTD機(jī)制對云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可利用的方面進(jìn)行了一些優(yōu)化調(diào)整,以增加系統(tǒng)的不確定性、復(fù)雜性,并通過向攻擊者提供完全混亂的系統(tǒng)環(huán)境來增加攻擊者攻擊的困難度,從而降低攻擊成功的概率。事實(shí)上,基于SDN的MTD安全防御機(jī)制通過增加攻擊者的工作負(fù)載和成本,可以使攻擊者在試圖攻擊之前,甚至攻擊期間降低攻擊成功的概率,從而使防御者能夠成功防御攻擊。由于存在這些基于SDN的MTD機(jī)制的特征,以及有關(guān)在SDN支持的云數(shù)據(jù)中心中驗(yàn)證基于SDN的A/MTD防御機(jī)制的有效性所做的相關(guān)工作,這大大推動了研究基于SDN的MTD機(jī)制保護(hù)云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)有效性的需求。為了驗(yàn)證基于SDN的MTD機(jī)制在保護(hù)云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)安全方面的有效性,我們需要描述攻擊者在攻擊之前必須探索的系統(tǒng)的脆弱性。為此,我們設(shè)計(jì)了基于SDN的MTD系統(tǒng)框架,該框架使用了運(yùn)行模型,例如,擁有網(wǎng)絡(luò)功能需求的基礎(chǔ)架構(gòu)邏輯模型和CAG形式的邏輯安全模型,而該模型可能具有一定的系統(tǒng)資源脆弱性,并且可能正在遭受攻擊。這些運(yùn)行模型能夠通過我們提出的框架來推斷系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。而通過由模型獲得的反饋信息,云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以使用SDN的MTD機(jī)制來進(jìn)行調(diào)整或配置,以此創(chuàng)建一個(gè)能夠減少攻擊可能性的混沌環(huán)境,增加攻擊者攻擊的不確定性和復(fù)雜性。為了證實(shí)這一點(diǎn),我們使用本文設(shè)計(jì)的框架進(jìn)行了三種不同的仿真實(shí)驗(yàn),確定基于SDN的MTD機(jī)制能夠適應(yīng)/配置的可用方法,以降低攻擊者的攻擊概率并提高系統(tǒng)的彈性。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中,我們只模擬了通過DRAS連接的有效路徑的攻擊。而在第二個(gè)和第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中,仿真只沿著通過DRAS連接的有效路徑進(jìn)行攻擊,以及直接在不通過DRAS連接的節(jié)點(diǎn)之間來嘗試攻擊。在第三次攻擊實(shí)驗(yàn)中,我們還模擬了一個(gè)唯一的事件驅(qū)動攻擊。在每次實(shí)驗(yàn)中,我們進(jìn)行了 1000次單步攻擊,攻擊時(shí)間保持不變(Δt),即每次單步攻擊之間的平均攻擊到達(dá)間隔為100。因此,對于基于基本和動態(tài)SDN的MTD機(jī)制的1000步單步攻擊,我們假設(shè)運(yùn)行時(shí)會使用6個(gè)不同的時(shí)間間隔(25,50,100,200,300和靜態(tài))。而且在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中,都包括了未發(fā)生適應(yīng)的控制情景,以確認(rèn)擬議的適應(yīng)機(jī)制框架造成的變化。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中,要成功阻止單步攻擊,基于基本SDN的MTD機(jī)制必須在平均攻擊到達(dá)間隔期間主動調(diào)整/刷新遭受攻擊的節(jié)點(diǎn)或發(fā)起攻擊的節(jié)點(diǎn)。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中,為了阻止攻擊,基于基本的SDN的MTD機(jī)制必須在平均攻擊到達(dá)間隔期間主動適應(yīng)/刷新路徑上能夠到被攻擊節(jié)點(diǎn)的任意節(jié)點(diǎn)。而在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中,為了阻止攻擊,基于動態(tài)SDN的MTD機(jī)制必須在平均攻擊到達(dá)間隔期間主動和被動地適配/刷新路徑上能夠到被攻擊節(jié)點(diǎn)的任意節(jié)點(diǎn)。第一次和第二次實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果表明,當(dāng)沒有適應(yīng)或者適應(yīng)是靜態(tài)的時(shí),攻擊成功的次數(shù)變?yōu)樽畲?在每一輪中進(jìn)行1000次單步攻擊)。但是,一旦激活了基于基本SDN的MTD機(jī)制,攻擊成功的次數(shù)就會減少,也就是說,在適配/配置間隔為300的情況下,攻擊成功次數(shù)的減少到128次;當(dāng)間隔變?yōu)?00時(shí),攻擊成功的次數(shù)減少到97次;當(dāng)間隔變?yōu)?00時(shí),成功攻擊次數(shù)減少到45次;當(dāng)間隔變?yōu)?5時(shí),所有針對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的攻擊都會被消除。與第一次和第二次仿真一樣,第三次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,當(dāng)沒有適應(yīng)或者配置是靜態(tài)時(shí),在互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中通過網(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的完整攻擊成功的次數(shù)變?yōu)樽畲?每輪1000次單步攻擊),這與在Internet中破壞規(guī)劃者/登錄節(jié)點(diǎn)的預(yù)期概率(68%)是接近的。但是,與第一個(gè)和第二個(gè)實(shí)驗(yàn)不同的是,在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中一旦激活了基于動態(tài)SDN的MTD,攻擊成功的次數(shù)就會大大減少,也就是說,在適配/配置間隔為300的情況下,攻擊成功的次數(shù)減少到86次;當(dāng)時(shí)間間隔變?yōu)?00時(shí),攻擊成功的次數(shù)就會減少到64次;當(dāng)時(shí)間間隔變?yōu)?00時(shí),攻擊成功的次數(shù)就會減少到30次;當(dāng)時(shí)間間隔變?yōu)?5時(shí),針對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的攻擊就會全部被消除。三次仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)平均攻擊到達(dá)間隔/速率變?yōu)?00并且自適應(yīng)間隔減小時(shí),基于SDN的MTD機(jī)制可以成功降低攻擊成功的概率。在仿真實(shí)驗(yàn)中,及時(shí)的適應(yīng)/配置是定義和驗(yàn)證基于SDN的MTD機(jī)制有效性的基礎(chǔ)。因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)適應(yīng)是靜態(tài)的或在沒有適應(yīng)的情況下,攻擊成功的次數(shù)最多。這是在沒有適應(yīng)/更新的場景下單步攻擊成功的概率最大的攻擊次數(shù)。但是,一旦啟用基于SDN的MTD機(jī)制,攻擊成功的次數(shù)就會減少。換句話說,隨著適配間隔減小,基于SDN的MTD機(jī)制在維護(hù)云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)安全性方面的有效性就會增加(例如,當(dāng)適應(yīng)間隔為25時(shí),幾乎所有針對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的攻擊都會被消除)。另外,仿真結(jié)果表明,即使沒有完備的探測器,云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的安全保護(hù)也能夠成功部署。這些結(jié)果再次清楚地證明了基于SDN的MTD機(jī)制在保護(hù)云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)安全方面的有效性,并且評估和分析基于SDN的MTD機(jī)制框架是保護(hù)支持SDN的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)安全的初始步驟。此外,我們計(jì)劃繼續(xù)模擬更復(fù)雜的系統(tǒng)(節(jié)點(diǎn)和互連),增加攻擊者的復(fù)雜性,并且使用運(yùn)行時(shí)模型來集成基于動態(tài)SDN的MTD系統(tǒng)的全部功能。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP393.0
【文章目錄】：致謝 ACKNOWLEDGMENTS
摘要
Abstract
List of Acronyms
CHAPTER ONE
1. Introduction
1.1. Rationale of the study
1.2. Methodology
1.3. Scope of the study
1.4. Purpose and contribution of our study
1.5. Organization of this Thesis
CHAPTER TWO
2. Background and Related works
2.1. Software Defined Network（SDN）
2.1.1. SDN Architecture
2.2. Moving Target Defense （MTD）
2.3. Software Defined Networking （SDN） -based MTD Mechanism
2.4. Related works
CHAPTER THREE
3. System Architecture and Framework
3.1. System Architecture Overview
3.2. The Basic SDN-based MTD mechanism Framework
3.3. Dynamic Resource Allocating System （DRAS）
3.4. Adaptation Engine
3.4.1. SDN-based MTD framework-driven adaptation
3.5. Security Analysis Engine
3.6. Conservative Attack Graph （CAG）
3.7. Adaptation/configuration
CHAPTER FOUR
4. Simulation-based experiments
4.1. Assumptions on attacker model
4.2. Assumptions on adaptation methods
4.3. Adapting methods and attacks
4.3.1. DRAS supported only attack simulation
4.3.2. DRAS supported only attack & Outside of DRAS supported attack simulation
CHAPTER FIVE
5. Simulation Results and Discussion
5.1. DRAS supported only attack simulation Results
5.2. DRAS supported only attack & Outside of DRAS supported attack simulation Results
5.3. Discussion
CHAPTER SIX
6. Conclusion and Future Works
參考文獻(xiàn) References
作者簡歷及攻讀碩士 /博士學(xué)位期間取得的研究成果Author Profile and Research Achievements Obtained during the Study for A Master’s/Doctoral Degree
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 Dataset for the Master's Thesis
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本文編號：
2893567
